動(dòng)態(tài)電路分析問(wèn)題是電學(xué)中經(jīng)常遇到的一種典型題目,各類考試中也經(jīng)常出現(xiàn)這類考題。電路中涉及的物理量有電流、電壓、電阻和電功率等及它們的關(guān)系,而關(guān)系又與電路特征有關(guān),所以綜合性大,能很好地考查了學(xué)生的分析綜合等高級(jí)思維。其中動(dòng)態(tài)電路問(wèn)題,更是高考的熱點(diǎn)。下面介紹兩種分析思維過(guò)程的方法。
?。ū疚闹?,為了分析表達(dá)的簡(jiǎn)潔,我們約定一套符號(hào):“?圯”表示引起電路變化;“↑”表示物理量增大或電表示數(shù)增大;“↓”表示物理量減小或電表示數(shù)減小。)
一、解答此類直流電路動(dòng)態(tài)分析的一般思路——閉合電路歐姆定律。
1.電路中,無(wú)論是在串聯(lián)電路中還是在并聯(lián)電路中,只要有一個(gè)電阻的阻值變大,整個(gè)電路的總電阻也必變大;一個(gè)電阻的阻值變小,整個(gè)電路的總電阻也必變小。
2.由總電阻的變化,通過(guò)公式I=和U=E-Ir,可以判斷路端電壓和干路電流的變化情況。
3.由干路電流和路端電壓的變化,進(jìn)一步判定電阻不變的支路的電流、電壓的變化。
4.再進(jìn)一步判定含有變化電阻部分的電流、電壓的變化。如變化部分是在并聯(lián)回路中,則仍應(yīng)先判定固定電阻部分的電流、電壓;最后確定變化電阻上的電流、電壓的變化。
例1:圖1中變阻器的滑片P向下移動(dòng)時(shí),各電表的示數(shù)怎樣變化?
解析:當(dāng)P向下滑動(dòng)時(shí),電阻R接入電路的阻值變大,總電阻隨之變大,根據(jù)I↓=可知,電路中的總電流變小,則A示數(shù)變??;進(jìn)而根據(jù)U↑=E-I↓r可知,路端電壓變大,即V示數(shù)變大;根據(jù)U↓=E-I↓R可知,V示數(shù)變小;根據(jù)U↑=U↑-U↓可知,V示數(shù)變大;根據(jù)I可知,A示數(shù)變大;根據(jù)I↓=I↓-I↑可知,A示數(shù)變小。
歸納起來(lái),A、A、V示數(shù)變小,V、V、A示數(shù)變大。
這一過(guò)程分析,環(huán)環(huán)相扣,需要做題者首先對(duì)電路結(jié)構(gòu)了如指掌,其次要對(duì)閉合電路歐姆定律運(yùn)用嫻熟,此外還要有清醒的大腦。解題時(shí),注意力要高度集中,稍有疏忽,就會(huì)前功盡棄,滿盤皆輸。
那么對(duì)于此類問(wèn)題有沒(méi)有簡(jiǎn)便易行、快捷、穩(wěn)妥的解題方法呢?我經(jīng)過(guò)總結(jié),找到了如下規(guī)律,即“串反并同”?,F(xiàn)將具體含義及其運(yùn)用方法寫出,請(qǐng)各位同仁給予批評(píng)指正。
二、解答直流電路動(dòng)態(tài)變化的特殊方法——“串反并同”規(guī)律。
所謂“串反”就是與變化電阻串聯(lián)的電表和用電器的電流、電壓及電功率各物理量與變化電阻變化相反,也就是變化電阻阻值變大時(shí),電流、電壓、電功率均變?。环粗兓娮枳柚底冃r(shí),各量均變大。
所謂“并同”,就是與變化電阻并聯(lián)的電表和用電器的電流、電壓及電功率各物理量與變化電阻變化相同,也就是變化電阻阻值變大時(shí),電流、電壓、電功率各量均變大;反之變化電阻阻值變小時(shí),各量均變小。
判斷串或并只能以“變化部分的電阻R”為標(biāo)準(zhǔn):凡通過(guò)R的電流有可能通過(guò)(不管是全部還是部分)導(dǎo)體R,則R與R為串;凡通過(guò)R的電流一定不通過(guò)R,則R與R為并。
1.“串反并同”規(guī)律的應(yīng)用
對(duì)于涉及電阻變化的問(wèn)題,運(yùn)用上述“串反并同”規(guī)律都能夠迅速而準(zhǔn)確地進(jìn)行解答。下面以幾道高考題為例,說(shuō)明“串反并同”規(guī)律的應(yīng)用。
?。?)在全電路動(dòng)態(tài)分析問(wèn)題中的直接應(yīng)用
例2(2002年上海高考題):在如圖2所示電路中,當(dāng)變阻器R的滑動(dòng)頭P向b端移動(dòng)時(shí)(?
A.電壓表示數(shù)變大,電流表示數(shù)變小
B.電壓表示數(shù)變小,電流表示數(shù)變大
C.電壓表示數(shù)變大,電流表示數(shù)變大
D.電壓表示數(shù)變小,電流表示數(shù)變小
解析:可變電阻R、電源、R與電流表A構(gòu)成串聯(lián)電路,可變電阻R、R與電壓表V構(gòu)成并聯(lián)電路。當(dāng)滑片向b點(diǎn)移動(dòng)時(shí),電阻R減小。根據(jù)電流隨電阻變化的“串反并同”規(guī)律可知,電流表的示數(shù)變大,電壓表的示數(shù)變小。故選項(xiàng)B正確。
?。?)在全電路動(dòng)態(tài)分析問(wèn)題中的間接應(yīng)用
例3(2006年上海市高考題):在如圖3所示電路中,閉合電鍵S,當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭P向下滑動(dòng)時(shí),四個(gè)理想電表的示數(shù)都發(fā)生變化,電表的示數(shù)分別用I、U、U和U表示,電表示數(shù)變化量的大小分別用△I、△U、△U和△U表示。下列比值正確的是(?搖?搖?搖?搖)。
A.不變,不變
B.變大,變大
C.變大,不變
D.變大,不變
解析:滑動(dòng)變阻器R、R、電流表A、電壓表V、電源構(gòu)成串聯(lián)電路,滑動(dòng)變阻器R、電壓表V、V構(gòu)成并聯(lián)電路。當(dāng)滑片P向下滑動(dòng)時(shí),R↑,I↓、U↓、U↑、U↑。
因?yàn)镽為定值電阻,所以R==不變;由?圯↑;
因?yàn)楣紼=U+U+U恒成立,則E=(U-△U)+(U-△U)+(U+△U),化簡(jiǎn)得:△U=△U+△U,所以=+=R+r不變。
同理可證,?圯↑;==r不變。
故選項(xiàng)A、C、D正確。
?。?)在電路故障分析中的應(yīng)用
例4(1986年全國(guó)高考題):在如圖4所示的電路中,燈泡A和B都是正常發(fā)光的。忽然燈泡B比原來(lái)變暗了一些,而燈泡A比原來(lái)亮了一些。試判斷電路中什么地方出現(xiàn)了斷路故障?
解析:(1)B燈比原來(lái)變暗,說(shuō)明B燈中電流減小,根據(jù)“串反并同”規(guī)律,要么是與B燈串聯(lián)的電學(xué)元件發(fā)生斷路,要么是與B燈并聯(lián)的電學(xué)元件發(fā)生短路。得出R斷路或R短路或R短路。
(2)A燈比原來(lái)變亮,說(shuō)明A燈中電流增大,根據(jù)“串反并同”規(guī)律,要么是與A燈串聯(lián)的電學(xué)元件發(fā)生短路,要么是與A燈并聯(lián)的電學(xué)元件發(fā)生斷路。得出R短路或R斷路或R斷路。
?。?)綜合分析得出故障是R短路或R斷路。
?。?)若R短路,則B燈不亮。所以確定故障應(yīng)為:R斷路。
2.“串反并同”規(guī)律的適用范圍和條件
?。?)如果電源沒(méi)有內(nèi)阻或不計(jì)內(nèi)阻,則和電源并聯(lián)的電壓表示數(shù)將不變化,顯然不能用“串反并同”。除此之外的其他電表和用電器的電流、電壓、電功率等物理量的變化還可以應(yīng)用“串反并同”規(guī)律解題的。
(2)如果電路中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電阻阻值同時(shí)變化,就不能用“串反并同”規(guī)律。
?。?)電路必須是閉合的。若在直流電路中有電容器,而此時(shí)電容器所在電路相當(dāng)于斷路,在電路里不會(huì)有恒定的電流,這時(shí)就不能用“串反并同”規(guī)律。
利用“串反并同”規(guī)律處理具體問(wèn)題,關(guān)鍵在于深刻理解“串反并同”的規(guī)律和判斷電路中的元件與可變電阻的串、并聯(lián)關(guān)系。只有這樣,才能熟能生巧,才能提高分析、解決問(wèn)題的能