在電學計算題的電路中,出現(xiàn)多個開關的閉合、斷開的不同狀態(tài),有時還涉及滑動變阻器的滑片放在不同位置,學生求解時就顯得比較困難,很容易造成誤判和錯解。筆者在教學中運用“電流路徑的優(yōu)先走法”思路,對電路圖進行分析,畫出“等效電路圖”的方法,把復雜的問題簡單化,學生解題的正確率得到了很大提高。
一. 電流路徑的優(yōu)先走法
把電流比作一個“人”,它所走過的路徑有一定的規(guī)律可循。下面分幾種情形討論。
1. 如圖1,電流從點a走到點b,有二條路可走,由于連接電路的導線電阻很小,采用近似的分析方法,可以認為導線的電阻為,而燈泡是有電阻的,所以電流優(yōu)先走與燈泡并聯(lián)的導線這條路徑,而不經過燈泡,因而在畫等效電路圖,可把燈泡刪掉。
圖1
2. 如圖2,電流從點a走到點b,走哪條路呢?由于電流表的特點是電流很小,相對與它并聯(lián)的r而言可以忽略,所以電流優(yōu)先走電流表這條路徑,而不經過r,同樣,在畫等效電路圖時,應刪掉r。
圖2
3. 如圖3,由于電壓表的電阻很大,可以把電壓表看成開路,所以電流優(yōu)先走r這條路徑。當然此時有微弱的電流經過電壓表,電壓表有示數(shù)。
圖3
4. 如圖4、圖5,電流優(yōu)先走與電壓表并聯(lián)的導線或電流表,這時電壓表無示數(shù)。
圖4
圖5
5. 如圖6,這種情況電流將如何走法呢?由于電流表、導線的電阻都很小,相對而言,導線的電阻會更小,近似地分析認為,電流只優(yōu)先走導線,所以電流表示數(shù)為0a,畫等效圖時,應刪掉電流表。
圖6
二. 等效電路圖的畫法與解題的一般步驟
1. 認真審題,在草稿紙上畫出原圖,并把開關的狀態(tài)、滑動變阻器的滑片所處的位置依題意畫下;
2. 根據電流路徑的優(yōu)先走法,把沒有電流經過的元件用橡皮擦擦掉,同時將斷開的開關及與其串聯(lián)的元件與擦掉,閉合的開關用導線代替;
3. 正確分析電路的連接方式,明確電流表測哪部分電路的電流,電壓表測誰的電壓,再將電路圖整理,即畫出了等效電路圖;
4. 把已知條件盡可能標注在等效電路圖上;
5. 找出所求的物理量與哪個等效圖對應,然后根據串、并聯(lián)電路的特點,特別注意電源電壓不變,定值電阻的阻值不變,正確運用電學公式來分析解答。
三. 例題分析
例1. 如圖7所示,電源電壓保持不變,滑動變阻器最大值為,小燈泡的電阻為且保持不變。當、均閉合且滑片p滑到b端時,電流表、的示數(shù)之比為3:2,當、均斷開且滑片p置于滑動變阻器中點時,小燈泡l的功率為10w。求:
(1)電阻的阻值;
(2)當、均閉合且滑片p在b端時,電壓表v的示數(shù);
(3)整個電路消耗的最小功率。
分析:(1)當、均閉合,且滑片滑到b端,根據圖7,則燈泡l中無電流通過,所以可畫出等效電路圖(如圖8)。
圖7 圖8
(2)當、均斷開,且滑片置于中點,根據圖4,可畫出等效電路圖(如圖9)。
解:(1)圖8中,設的示數(shù),則的示數(shù)
因為、并聯(lián)
所以
又因為,所以,
所以
(2)如圖9,因為
圖9
所以
因為
所以電源電壓
所以圖8中電壓表的示數(shù)為30v。
(3)根據,電源電壓u一定,當r最大時,p最小。所以此時、應斷開,滑片置于b點,這時最大,等效電路圖(圖9)
所以
例2. 如圖10所示電路中,、為定值電阻,燈l上標有“16v 4w”的字樣,電源電壓保持不變。
圖10
(1)閉合開關s、、,電流表的示數(shù)為0.35a,此時燈l恰能正常發(fā)光,求電阻的大?。?br>
(2)閉合開關s,斷開開關、,電壓表的示數(shù)較(1)中變化了3.2v,求此時電阻消耗的電功率(燈絲電阻不變)
分析:(1)當s、、都閉合,根據圖1,圖4,畫出等效電路圖(如圖11)
圖11
當s閉合,、斷開,等效電路圖(如圖12)
圖12
解:(1)圖11中,因為電壓表并聯(lián)在a、b間,所以電壓表示數(shù)為0v,又因l在正常發(fā)光。
所以電源電壓
因為
所以
所以
(2)因為圖11中,電壓表示數(shù)為0v
所以圖12中電壓表的示數(shù)
所以
而
所以
所以
例3. 如圖13所示,電源電壓保持不變,燈泡、分別標有“6v 3w”和“6v 6w”字樣,額定電壓不詳,額定功率為9w,且、、的電阻保持不變,求:
圖13
(1)、正常工作時的電阻、分別是多少?
(2)當開關斷開,閉合時,恰有一盞燈能長時間正常發(fā)光,此時電壓表、電流表的示數(shù)分別是多少?
(3)當開關斷開、閉合時,電路實際功率是,那么此時電流表的示數(shù)是多少?的額定電壓是多少?
分析:(1)當斷開、閉合,等效電路圖如圖14。
圖14
(2)當閉合,斷開,等效電路圖如圖15。
圖15
解:(1)因為
所以,
(2)圖14中,因為有一盞燈能長時間正常發(fā)光,而另一燈不會燒壞,所以另一燈工作電流比它的額定電流小。
因為,所以,
而串聯(lián)電路中各處的電流相等,所以,即在正常發(fā)光,發(fā)光較暗。
這時,所以電壓表示數(shù)為3v,電流表示數(shù)為0.5a,電源電壓
(3)圖15中,因為只有工作,而
所以
即電流表的示數(shù)為0.25a
又,
所以