左剛武
等效替代是在保證某種效果相同的前提下,將實際的、復(fù)雜的物理問題和物理過程轉(zhuǎn)化為簡單的、易于研究的物理問題和物理過程的方法。在學(xué)習(xí)電路這部分知識時,若能巧妙運用等效電源法進行分析與求解,則可以達到事半功倍的效果。
解析:根據(jù)電子元件的U-I 圖像可知,該元件為非線性元件,按常規(guī)解法不能確定該元件的工作狀態(tài)。將電源與定值電阻R 視為一個整體,等效為一個新電源,令新電源的電動勢為E1,內(nèi)阻為r1,則E1 =E =3 V,r1=R+r=10 Ω。對于新電源,設(shè)其路端電壓為U,則U =E1-Ir1,即U =3-10I。在如圖7所示的U-I 圖像中作出新電源的路端電壓U 與干路電流I 的關(guān)系圖像,如圖8所示,則兩圖像的交點即為該元件的工作狀態(tài)。讀圖得交點坐標為U1 =0.7 V, I1 =2.3×102 mA,則該電子元件在電路中消耗的電功率P=U1I1=0.161 W。
3.確定可變電阻消耗電功率的變化情況。
例3 如圖9所示,已知電源電動勢E =6 V,內(nèi)阻r=1 Ω,定值電阻R0 =5 Ω,滑動變阻器R 的最大阻值Rmax =4 Ω,當(dāng)滑片P 向右滑動時,判斷滑動變阻器消耗的電功率如何變化,并求其消耗電功率的最大值Pmax。
解析:將電源和定值電阻R0 視為一個整體,等效為一個新電源,令新電源電動勢為E1,內(nèi)阻為r1,則E1=E=6 V,r1=R0+r=6 Ω,滑動變阻器為新電源的外電阻,其消耗的電功率即為新電源的輸出功率。新電源輸出功率與外電阻的關(guān)系滿足P出=I2R外=E21/R外+r21R外+2r1,新電源的輸出功率隨外電阻的變化關(guān)系如圖10所示。當(dāng)R外 4.分析電學(xué)實驗中的系統(tǒng)誤差。 在測量電池電動勢和內(nèi)阻的實驗中,系統(tǒng)誤差分析是一個難點。利用等效電源法進行分析,該問題將會迎刃而解。 (1)電流表外接法的系統(tǒng)誤差分析。 實驗電路如圖11所示,令電源電動勢為E,內(nèi)阻為r,該實驗的實驗原理為U =E-Ir,引起系統(tǒng)誤差的原因在于電壓表的分流,將電壓表與電源視為一個整體,等效為一個新電源,令新電源電動勢為E1,內(nèi)阻為r1,則E1 = RVE/r+RV ,r1 = rRV/r+RV ,即E測=E1 (2)電流表內(nèi)接法的系統(tǒng)誤差分析。 實驗電路如圖12所示,令電源電動勢為E,內(nèi)阻為r,該實驗引起系統(tǒng)誤差的原因在于電流表的分壓,將電流表與電源視為一個整體,等效為一個新電源,令新電源電動勢為E2,內(nèi)阻為r2,則E2 =E,r2 =r+RA,即E測=E2=E真,r測=r2>r真。 總之,在高中物理的學(xué)習(xí)過程中,等效思想的使用范圍相當(dāng)廣泛。高中階段我們?yōu)榱恕盎睘楹啞?,提高解題效率,會慢慢養(yǎng)成“記憶”二級結(jié)論的習(xí)慣,不過,牢記物理學(xué)習(xí)的初心———理解、分析、推理→問題解決→能力提升,方能圓大物之夢、悟大物之美。 (責(zé)任編輯 張 巧)