单位文秘网 2022-02-26 08:11:24 点击: 次
复杂电路和由不同电动势与内电阻电池构成的电池组问题,一般无法简单地运用串、并联规则化简为无分支的闭合电路.基尔霍夫方程组是解决这类问题的基础,但已超出了中学范围,但是可用叠加原理(也称电源的独立作用原理)来处理——若电路中有多个电源,通过电路中任一支路的电流(或电压)等于电路中各个电源单独作用时,分别在该支路上产生的电流(或电压)的代数和.这与力学中常用到的力的独立作用原理极为相似.
设两个不同的电池(E1,r1)和(E2,r2)构成电池组,流过外电阻R的电流为I,其中由电池(E1,r1)“贡献”的电流为I1,由电池(E2,r2)“贡献”的电流为I2,叠加原理最终体现为I=I1+I2.
在(1)、(2)两组关系式中要注意两点,第一,当某个电池反接时,应将其电动势取负值;第二,当构成电池组的每一个电池的电动势都是E,而内阻都是r且没有反接时,(1)、(2)两式简化为中学物理里关于电池组的一般结论E串=nE和r串=及E并=E和r并=rn.
复杂电路一般还需要求出各支路的电流和任意两点间电势差,这时还要用到含源电路的欧姆定律.在中学教材里突出用“场”和“能”的观点来分析电路,通过“小孩从滑梯上滑下后又被电梯运送至高处”这一过程来形象地说明在外电路中沿电流方向电势降落而在电源内部从负极走向正极电势升高,学生已经掌握根据电流的方向与电动势的方向来判断电势的升降,进而找出电动势、外电路中的电压降和两点间电势差之间的关系.只是没有直接点明这就是含源电路的欧姆定律而已.
当电路中电池数量较多时再用叠加原理分析,运算量却很大,但由叠加原理推导出来的(1)、(2)两式却非常便于理解和记忆,在我们拥有了把多个电池等效为一个电池的(1)、(2)两个关系和根据电流的方向与电动势的方向来确定电动势、外电路中的电压降与两点间电势差之间的关系这两个有利的武器时,则可化不熟悉为熟悉,化复杂为简单,将部分复杂电路化归为电池组问题予以快速解决.
解析 本题并不能直接化归为电池组问题,但由电路的对称性可将四个电池中间的电阻去掉,同时可知每一支路提供的电流为1 A,电流方向如图4(b)所示.若设每个电池的电动势为E,每一个电阻均为 上面的两个例题是中学物理里最为常见的题型,可以看出,把这类复杂电路简化为电池组问题,则可避开基尔霍夫方程组或叠加原理中繁琐费时的计算,使得运算简明扼要,但这不只是一种技巧,更是一种迫切的需要:
第一,是学生发展的需要
学生在已经掌握了由相同电池在相同方向上构成的电池组规律后,想知道为什么会这样,进而想到新旧电池混用问题以及电池充放电的问题符合认知心理.给学生提供一个探究的平台——叠加原理,再应用熟悉的串并联基本知识来解决新问题,既是对已有知识的巩固,又是提高能力的有效途径.
第二,是时代发展的需要
随着各类小家电中充电电池的广泛使用,我们不能仅仅停留在笼统地用能量观点解释电池的充放电现象,而应从电路的角度认真研究.在两个例题中,均存在某个电源实际上不是在供电,而是在耗电,如果是蓄电池则是被充电的情形.
第三,是后续课程的需要
在学习电磁感应、电动机、门电路、传感器、二极管限幅电路等知识时都要涉及多个电源,由于对含源电路的分析不够深入,解释起来总是避重就轻,成为学生发展的瓶颈.以叠加原理为依托推导出来的电池组规律却能在不增加过多电学定律的前提下顺利解决上述问题,那么,我们就应该正视问题,而不是回避茅盾,这样将更有利于相关内容的理解.
例3和例4是竞赛类题中最常见的题型,不能直接化归为电池组问题,需要辅以其它电路定理多次转化,实际运算并不比直接用基尔霍夫方程组更简便,但是转化为电池组问题则不必解方程组,每一步都是直接算出结果,可以有效避免方程多时运算繁、易出错的弊端,使计算大为简化.
解决复杂电路还是要以基尔霍夫方程组和等效电源定理等为根本.把复杂电路转化为电池组是一种全新的等效方式,它的特点是简明、易记、好用,能基本解决中学物理里有关电路的大多数问题,对部分竞赛题也有所帮助,希望借此开阔视野、多措并举,更加方便灵活地解答直流电路的有关问题.
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