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第十一章專題:動態直流電路分析方法 講義-2023-2024學年高二上學期物理人教版(2019)必修第三冊

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第十一章專題:動態直流電路分析方法 講義-2023-2024學年高二上學期物理人教版(2019)必修第三冊

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“串反并同”——動態直流電路的分析方法
在電路分析問題中,有這樣一類題,通過改變電路中某個滑動變阻器的阻值、電路的通斷等,讓我們判斷電路中小燈泡的亮或暗,或是通過電阻的電流及其兩端電壓的大小,或是電容器的電壓變化等等,究其本質都是判斷干路和支路的電壓、電流的相互關系。
常規解法
其實再復雜的電路都可以這樣簡化:
電源電動勢被分為了兩個部分,一部分為內電路分壓,另一部分為外電路分壓。即:
在解決這類問題時,按照一般解法,通常是先判斷整個電路的總電阻變化,進而判斷干路的總電流
之后判斷路端電壓(外電壓,電源電動勢減去電源內阻分壓)的升降
最后判斷目標用電器的電流變化。
判斷過程總結如下:
外電路的總電阻
最關鍵的一環是如何判斷電路的總電阻變化,下面就來具體說一下。
(1)當外電路的任何一個電阻增大或減小時,外電路的總電阻一定增大或減小。
如圖,將滑片由a向b滑動時,滑動變阻器的阻值增大,則外電路的總電阻增大;反之減小。
(2)若開關的通斷使得串聯的用電器增多時,總電阻增大;若開關的通斷使得并聯的用電器增多時,總電阻減小。
其實就是電阻越串,總電阻越大;電阻越并,總電阻越小,總小于并聯的最小電阻(你不會不知道吧?)
如圖,閉合S2時,在干路中增加小燈泡L2,串聯電路的用電器增多,則總電阻增大;當閉合S3、S4時,并聯電路的用電器增加了小燈泡S3和S4,則總電阻減小。
(3)一個特殊的電路
在如圖所示的分壓電路中,滑動變阻器可以視為由兩段電阻構成,其中pb段與小燈泡L并聯,pa段與之串聯。當劃片由a向b滑動時,pa段阻值增大,而pb段阻值減小,一增一減,那么此時該怎么判斷呢?
這時我們把滑動變阻器和燈泡當作一個整體,計算這個整體的總電阻。
設滑動變阻器阻值為,pa段阻值為,pb段阻值為,燈泡阻值為。首先pa段阻值和pb段阻值之和為定值,也就是滑動變阻器的總阻值;其次在計算總電阻時,分為兩部分,一部分為串聯pa段,另一部分為pb段與燈泡并聯的阻值,用并聯電路阻值計算方法。最后二者相加即可得到總電阻。
此時,有些同學看到這兩個公式是不是有些不知所措?沒關系,我們變化一下:
看懂了吧,我們簡化變量的表達,轉化為我們熟知的函數問題,其中都是常量,此時我們自然會想到利用①式令將消掉,將變量進行歸一,得到,將替換為,替換為,進而判斷的單調性。
觀察這個函數,是關于的單調遞減函數,也就是說與pb段的電阻呈相反的變化趨勢,進而與pa段的電阻呈相同的變化趨勢,在記憶時,我們就記住與串聯部分的電阻變化一致就可以了。
干路電流
變化判斷清楚之后,我們就要判斷干路電流的大小。所謂的干路電流是指電源電流出發的最原始的線路,如下圖所示。
通過電源電動勢與干路電流的關系式
得到
由于為定值,那么干路電流與變化相反,進一步就判斷出干路電流的變化,與此同時在干路的用電器的電流變化也就能判斷出來了。
路端電壓
所謂的路端電壓,是指電源電動勢減去內阻的分壓。

得到
在這個式中,我們發現電源電動勢分為了兩個部分,一部分為內阻分壓,另一部分就是外阻分壓,也就是路端電壓,我們發現并不能直接判斷路端電壓的變化,因為一增一減,但是可以間接判斷,即:
那么
由于我們已經判斷出來的變化情況,所以通過剛才的式子我們發現與變化相反,進而路端電壓的變化也就能判斷出來了。
支路電壓和電流
那么判斷路端電壓之后,而各個并聯支路的電壓就是路端電壓減去干路用電器的分壓,進而根據歐姆定律判斷支路電壓和電流變化情況
串反并同
由常規解法我們總結出:當↑,↓,↑,↑,觀察變化規律,我們發現支路與干路的電壓和電流變化規律相反,而各個并聯支路之間的電壓和電流變化規律相同,由此總結出動態直流電流的分析口訣——“串反并同”,也就是說當某一用電器的電阻變化時,與之串聯的用電器的電流和電壓變化和其電阻變化相反,與之并聯的用電器的電流和電壓變化和其電阻變化一致。
但是,很多同學經常分不清是串聯還是并聯,小王老師告訴大家一個關鍵點:用電器和變化電阻最終回到干路,即串聯中有電源;若二者分流后再并流,則并聯中無電源。
例題講解
(單選)如圖所示,電源電動勢大小為E,內阻大小為r,閉合開關S,當滑動變阻器的滑片P向左滑動的過程中( )。
A. 燈泡L變亮
B. 電流表讀數變大,電壓表讀數變小
C. 電源的總功率先變大后變小
D. 處于電容器C兩板間某固定的正點電荷的電勢能變大
講解:
常規解法
P向左滑動→滑動變阻器阻值↑,所以↑(電源總功率,所以電源總功率一直減小)
由:,進而↓(電流表和小燈泡在干路,所以電流表讀數變小,燈泡L變暗;通過也可以判斷電源總功率一直減小)
由:,進而↑(電壓表測路端電壓,所以讀數增大;電容器兩端電壓是路端電壓減去燈泡L分壓,,因為,↓↑,所以↑,由,由于兩電極板間距不變,所以電容器單位長度的電壓降增大,因此電器C兩板間某點的電勢增大,則正點電荷的電勢能增大)。
串反并同解法
P向左滑動,則滑動變阻器阻值↑
與滑動變阻器串聯的用電器(電路元件)為電源、電流表和燈泡L(粉紅色回路),串反,則三者變化與滑動變阻器阻值相反,則電源總功率減小,電流表讀數減小,燈泡變暗;
與滑動變阻器串聯的用電器(電路元件)為電壓表和電容器(青色和黃色),并同,則二者變化與滑動變阻器阻值相同,則電壓表讀數增大,電容器兩端電壓增大,進而判斷其電器C兩板間某點的電勢增大。
將兩種方法比較后我們發現使用串反并同解題,只要能正確判斷電路元件與變化元件或是電路的串并關系,就能使解題快速而高效;而常規解法較為繁瑣,對電路基本功要求較高。
即便如此,但在日常學習過程中,小王老師還是希望同學們首先掌握好常規解法,夯實電路分析基礎,以便于在復雜多變的考試中更好地使用串反并同規律進行解題。

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