第十一章专题:动态直流电路分析方法 讲义-2023-2024学年高二上学期物理人教版(2019)必修第三册

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第十一章专题:动态直流电路分析方法 讲义-2023-2024学年高二上学期物理人教版(2019)必修第三册

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“串反并同”——动态直流电路的分析方法
在电路分析问题中,有这样一类题,通过改变电路中某个滑动变阻器的阻值、电路的通断等,让我们判断电路中小灯泡的亮或暗,或是通过电阻的电流及其两端电压的大小,或是电容器的电压变化等等,究其本质都是判断干路和支路的电压、电流的相互关系。
常规解法
其实再复杂的电路都可以这样简化:
电源电动势被分为了两个部分,一部分为内电路分压,另一部分为外电路分压。即:
在解决这类问题时,按照一般解法,通常是先判断整个电路的总电阻变化,进而判断干路的总电流
之后判断路端电压(外电压,电源电动势减去电源内阻分压)的升降
最后判断目标用电器的电流变化。
判断过程总结如下:
外电路的总电阻
最关键的一环是如何判断电路的总电阻变化,下面就来具体说一下。
(1)当外电路的任何一个电阻增大或减小时,外电路的总电阻一定增大或减小。
如图,将滑片由a向b滑动时,滑动变阻器的阻值增大,则外电路的总电阻增大;反之减小。
(2)若开关的通断使得串联的用电器增多时,总电阻增大;若开关的通断使得并联的用电器增多时,总电阻减小。
其实就是电阻越串,总电阻越大;电阻越并,总电阻越小,总小于并联的最小电阻(你不会不知道吧?)
如图,闭合S2时,在干路中增加小灯泡L2,串联电路的用电器增多,则总电阻增大;当闭合S3、S4时,并联电路的用电器增加了小灯泡S3和S4,则总电阻减小。
(3)一个特殊的电路
在如图所示的分压电路中,滑动变阻器可以视为由两段电阻构成,其中pb段与小灯泡L并联,pa段与之串联。当划片由a向b滑动时,pa段阻值增大,而pb段阻值减小,一增一减,那么此时该怎么判断呢?
这时我们把滑动变阻器和灯泡当作一个整体,计算这个整体的总电阻。
设滑动变阻器阻值为,pa段阻值为,pb段阻值为,灯泡阻值为。首先pa段阻值和pb段阻值之和为定值,也就是滑动变阻器的总阻值;其次在计算总电阻时,分为两部分,一部分为串联pa段,另一部分为pb段与灯泡并联的阻值,用并联电路阻值计算方法。最后二者相加即可得到总电阻。
此时,有些同学看到这两个公式是不是有些不知所措?没关系,我们变化一下:
看懂了吧,我们简化变量的表达,转化为我们熟知的函数问题,其中都是常量,此时我们自然会想到利用①式令将消掉,将变量进行归一,得到,将替换为,替换为,进而判断的单调性。
观察这个函数,是关于的单调递减函数,也就是说与pb段的电阻呈相反的变化趋势,进而与pa段的电阻呈相同的变化趋势,在记忆时,我们就记住与串联部分的电阻变化一致就可以了。
干路电流
变化判断清楚之后,我们就要判断干路电流的大小。所谓的干路电流是指电源电流出发的最原始的线路,如下图所示。
通过电源电动势与干路电流的关系式
得到
由于为定值,那么干路电流与变化相反,进一步就判断出干路电流的变化,与此同时在干路的用电器的电流变化也就能判断出来了。
路端电压
所谓的路端电压,是指电源电动势减去内阻的分压。

得到
在这个式中,我们发现电源电动势分为了两个部分,一部分为内阻分压,另一部分就是外阻分压,也就是路端电压,我们发现并不能直接判断路端电压的变化,因为一增一减,但是可以间接判断,即:
那么
由于我们已经判断出来的变化情况,所以通过刚才的式子我们发现与变化相反,进而路端电压的变化也就能判断出来了。
支路电压和电流
那么判断路端电压之后,而各个并联支路的电压就是路端电压减去干路用电器的分压,进而根据欧姆定律判断支路电压和电流变化情况
串反并同
由常规解法我们总结出:当↑,↓,↑,↑,观察变化规律,我们发现支路与干路的电压和电流变化规律相反,而各个并联支路之间的电压和电流变化规律相同,由此总结出动态直流电流的分析口诀——“串反并同”,也就是说当某一用电器的电阻变化时,与之串联的用电器的电流和电压变化和其电阻变化相反,与之并联的用电器的电流和电压变化和其电阻变化一致。
但是,很多同学经常分不清是串联还是并联,小王老师告诉大家一个关键点:用电器和变化电阻最终回到干路,即串联中有电源;若二者分流后再并流,则并联中无电源。
例题讲解
(单选)如图所示,电源电动势大小为E,内阻大小为r,闭合开关S,当滑动变阻器的滑片P向左滑动的过程中( )。
A. 灯泡L变亮
B. 电流表读数变大,电压表读数变小
C. 电源的总功率先变大后变小
D. 处于电容器C两板间某固定的正点电荷的电势能变大
讲解:
常规解法
P向左滑动→滑动变阻器阻值↑,所以↑(电源总功率,所以电源总功率一直减小)
由:,进而↓(电流表和小灯泡在干路,所以电流表读数变小,灯泡L变暗;通过也可以判断电源总功率一直减小)
由:,进而↑(电压表测路端电压,所以读数增大;电容器两端电压是路端电压减去灯泡L分压,,因为,↓↑,所以↑,由,由于两电极板间距不变,所以电容器单位长度的电压降增大,因此电器C两板间某点的电势增大,则正点电荷的电势能增大)。
串反并同解法
P向左滑动,则滑动变阻器阻值↑
与滑动变阻器串联的用电器(电路元件)为电源、电流表和灯泡L(粉红色回路),串反,则三者变化与滑动变阻器阻值相反,则电源总功率减小,电流表读数减小,灯泡变暗;
与滑动变阻器串联的用电器(电路元件)为电压表和电容器(青色和黄色),并同,则二者变化与滑动变阻器阻值相同,则电压表读数增大,电容器两端电压增大,进而判断其电器C两板间某点的电势增大。
将两种方法比较后我们发现使用串反并同解题,只要能正确判断电路元件与变化元件或是电路的串并关系,就能使解题快速而高效;而常规解法较为繁琐,对电路基本功要求较高。
即便如此,但在日常学习过程中,小王老师还是希望同学们首先掌握好常规解法,夯实电路分析基础,以便于在复杂多变的考试中更好地使用串反并同规律进行解题。

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