等效电源法在高中物理中的应用

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  一、问题的提出
  在求解闭合电路的最大功率时,为了简化运算,经常用到等效电源法;在测定电池的电动势和内阻的实验中,为便于分析实验的系统误差,也会用到等效电源法。但学生对等效电源的认识却很模糊,特别是当把电池跟与之并联的的电阻视为等效电源时,学生对等效电源的电动势和内阻总是把握不准,这样,应用此法的效果就会大打折扣。
  二、解决的问题
  为了使学生对等效电源有清晰的认识,能够正确求解电源的电动势和内阻,特此书写。
  三、可以参考的处理方法
  这个推导的过程和结论,可以作为一种求解最大功率的范式。接下来分析两种典型的变式。
  例1、如图2所示的电路中,电源的电动势为E=6V,内阻为r=2Ω,外电路中R0=4Ω,R为可变电阻,其阻值变化范围为0~10Ω,试求电阻R上消耗功率最大的条件和最大功率。
  分析上述结果,将该结果与母题对照,可以看出,在本题中,相当于“电源”的电动势为E’=E,而内阻为r’=R0+r,如图3所示,这个等效电源就是由电池E与定值电阻串联构成。
  结论1:由电池与定值电阻串联而构成的“等效电源”,其电动势不变,内阻增大,为内阻r与定值电阻的串联阻值。
  进一步,引入接下来的例题2.
  例2.如图4所示的电路中,电源的电动势为E=6V,内阻为r=2Ω,外电路中R0=4Ω,R为可变电阻,其阻值变化范围为0~10Ω,试求电阻R上消耗功率最大的条件和最大功率。
  我们仍然按照一般的分析方法来处理,即从P=I2R出发来理解。
  结论2:由电池和定值电阻并联而形成的等效电源,其电动势和内阻均变小,内阻相当于并联电阻,电动势等于定值电阻与电池串联时的分压。
  这样,通过计算,结合形式上的相似性,我们很容易得出等效电源的电动势和内阻与电池之间的关系,这比根据教科书(人教版选修3-1中62頁)上所说的“断路时的路端电压等于电源电动势”来理解更有说服力。
  四、应用
  图5和图6是两种连线方法,内接法(图5)中,误差原因是电流表的分压,这样,在处理数据时,把电压表的示数看成是路端电压,实际上,就是把电流表和电池部分电路当成了“内电路”,数据处理中,所求得到的就是“等效电源”(由电流表和电池串联而成)的电动势和内阻,所以E测=E真,r测=RA+r真,这样,不单是知道了测量值是偏大还是偏小,还弄清楚了到底测量的是什么。
  伏阻法的等效电源如图7中虚线所示,安阻法的等效电源如图8中虚线所示,这样都不难得出测量值和真实值之间的偏差。
  五、总结
  高中阶段的物理课堂教学尽量避免模糊点,力争做到思路清晰、有理有据,以增强教学内容的说服力和信度,提高学科素养,增强解决问题的能力。
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