高考物理闭合电路的动态分析方法
在处理闭合电路中的动态分析问题时,一是要抓住变化因素和不变因素,用数学语言描述时要明确谁是自变量、谁是常量、谁是因变量。一般情况下电源的电动势和内阻不会变化。二是要从元件的变化情况入手,从局部到整体,再回到局部,逐步分析各物理量的变化情况。解题时可分为四步:
1、判断局部元件的变化情况,以确定闭合电路的总电阻如何变化。例如,当开关接通或断开时,将怎样影响总电阻的变化。当然,更常见的是利用滑动变阻器来实现动态变化。当然,更常见的是利用滑动变阻器来实现动态变化。应该记住,电路中不论是串联部分还是并联部分,只要一个电阻的阻值变大时,整个电路的总电阻就变大。只要一个电阻的阻值变小时,整个电路的总电阻就变小。
2、判断总电流I如何变化。例如,当总电阻增大时,由闭合电路欧姆定律知
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,因此I减小。
3、判断路端电压U如何变化。此时,由于外电路电阻R和电流均变化,故用判断有一定困难,此时可用
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来判断。
4、判断电路中其他各物理量如何变化。
以上四步体现了从局部到整体,再回到局部的研究方法。这四步中,第一步是至关重要的,若判断失误,则后续判断均会出错。第四步是最为复杂的。第四步中要能快捷地作出判断,要求在利用物理规律方面,除了欧姆定律、焦耳定律以外,还要熟悉串联电路、并联电路的特点,主要是串联电路中的分压关系和并联电路中的分流关系。在选取研究对象方面,可采取扫清外围、逐步逼近的方法。由于与变化元件越近的电路通常与之联系也会越密切,因此其物理量变化也将复杂。这样,不妨从与变化元件联系最松散的电路开始分析,再逐步推理,从已知条件出发,循着规律,一步一个结论,将结论又作为已知条件向下推理,最后判断变化元件有关物理量的变化情况。
按照“局部----整体----局部”的程序进行分析。
基本思路:电路结构变化→R变化→R总变化→总电流I变化→U内变化→U外变化→支路变化。
案例分析,当滑动变阻器接头向b端滑动,各电表示数如何变化:
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滑动变阻器向b端滑动→R减小→
R外减小→R总减小(R外+r)
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→总电流I减小(A1示数减小)
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→U外增大(V示数增大)
总电流I减小→R1的电压减小
→R2的电压增大(U外等于R1的电压加上R2的电压)
→R2的电流增大(A2示数增大)
并同:某电阻R增大,与之并联的电阻中电流,电压都将增大。相同变化。
串反:某电阻R增大,与之串联的电阻的电流,电压都将减小。相反变化。
例题分析,当滑动变阻器接头向b端滑动,各电表示数如何变化:
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滑动变阻器向b端滑动→R减小
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并同:
电流表A2和电压表V与R是并联关系。所以这两个表的示数与R相同变化,都减小。
串反:
电流变A1与R是串联关系。所以这个表的示数与R相反变化,增大。
1. 如图所示电路。电源电阻不能忽略,
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阻值小于变阻器R的总阻值(
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)。当滑动变阻器的滑片P停在变阻器的中点时,电压表V的示数为U,电流表A的示数为I。则当滑片P向上移动的全过程中( )
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A. 电压表的示数总小于U
B. 电流表的示数总大于I
C. 电压表的示数先增大后减小
D. 电流表的示数先减小后增大
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解析:BC
此题电路的结构是滑动变阻器滑动端P上部分电阻与
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串联再与滑动端P的下部分电阻并联,这并联电路再与
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串联,对于左端的并联电路,由于两支路电路之和一定,当两支路电阻阻值相等时,并联电路总阻值最大。
所以当滑动端P向上移动的过程中,并联电路的总阻值
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也是先
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后
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(注意开始时P位于R中点;
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且小于R),电路中的总电阻
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先
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后
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,则电路中总电流
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先
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后
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;路端电压
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是先
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后
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,即电压表测定的电压先
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后
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,所以选项C正确。
电流表测定的是滑动端P以上的电阻与
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串联支路的电流。当P上移时,电路中总电流先变小,所以
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两端电压变小,但路端电压先变大,所以并联电路两端电压变大,而
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支路的电阻变小,因此通过电流表的示数增大;当P上移到电路中总电阻开始变小后,电路中总电流变大,
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两端电压变大,但路端电压变小,所以并联电路两端电压变小,看滑动端P以下的电阻,其阻值增大,所以通过其电流变小,但由于总电流增大,通过电流表的电流为总电流与P下端通过电流的差值,所以电流表的示数仍要增大,也就是说电流表的示数总大于I,故选项B正确。
2. 电阻不变的三个电灯A、B、C连接在如图所示的电路中,闭合电键S后三灯电功率相同,此后向上移动滑动变阻器R的滑片。则可判断( )
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(A)三灯的电阻大小是RB>RC>RA
(B)三灯的电阻大小是RA>RC>RB
(C)A、B两灯变亮,C灯变暗
(D)A、C两灯变亮,B灯变暗
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答案 C
本题解题分为两个部分。首先是判断三灯电阻的大小。识别电路发现灯B先与滑动变阻器并联,之后与灯C串联,该支路再整体与灯A并联后接到电源的两端。由于该电路为纯电阻电路,根据电功率的公式P=I2R,结合IB<IC,得到RB>RC,再根据电功率公式P=U2/R,结合UA>UB,得到RA>RB,从而判断出三灯的阻值关系为RA>RB>RC,选项A、B均错误。
接着是判断滑动变阻器滑片上移后各灯的亮度变化。滑片上移后滑动变阻器R阻值增大,外电阻增大,总电流减小,端电压增大。灯A上的电压为端压,据P=U2/R,灯A将变亮,其电流也随之增大。同时,灯B、C所在的支路电压为端电压也增大,随着滑动变阻器与B组成的并联支路阻值增大,灯B的电压增大,根据P=U2/R,灯B将变亮。又因为总电流减小,灯A电流增大,导致灯C上的电流减小,据P=I2R,灯C变暗。选项C正确,选项D错误。
关于电路的动态分析,除了上述做法之外,还有一种简略方法——“串反并同”,即电路中部分电阻变化时,与之串联的其他电阻上的电流、电压、功率变化均与该电阻阻值变化情况相反,与之并联的其他电阻上的电流、电压、功率变化均与该电阻阻值变化情况相同。据此,本题滑动变阻器阻值增加,灯B、灯A与之并联故变亮,灯C与之串联故变暗。
“串反并同”结论并不是所有情况都适用的,对于单一电阻变化,可以方便的判断电路中各元件上的电流、电压、亮暗情况变化,甚至于可以用于故障判断(短路视为电阻减小、断路视为电阻增大),但是对于多部分电阻变化(如滑动变阻器分压式接法)、恒压电源、恒流电源等情况下,直接用结论都会出现问题,物理等级考试着重考察学生的分析能力,故第一种方法是基本方法,务必掌握好。