等效电压源定理及其在高中物理中应用
等效电压源定理及其在高中物理中应用
湖北省恩施高中 陈恩谱
一、等效电压源定理(戴维宁定理)
1、内容:一个包含电源的二端电路网络(端点为A 、B ),可看成一个等效的电压源,等效电压源的电动势等于“二端电路网络”两端的开路电压(E '=U 开),内阻等于“二端电路网络”中去掉电动势后两端间的等效电阻(r '=R AB )。
2、证明:
(1)基本情形1:如图甲所示电路,将虚线框内部分视为等效电源,则等效电路图如图乙所示。
甲
乙
丙
E 'E
;对乙图,有:I =;
'r +R r +R 0+R
两式比较,易得:E '=E ,r '=r +R 0;图丙是该等效电源的内部结构,易知:U 开=E ,R AB =r +R 0,
对甲图,设电路中电流为I ,由闭合电路欧姆定律,有:I =
得证。
(2)基本情形2:如图丁所示电路,将虚线框内部分视为等效电源,则等效电路图如图戊所示。
丁
戊
己
对丁图,设通过R 的电流为I ,R 两端电压为U ,则通过电源的电流为I 总=I +定律,有:
U
,由闭合电路欧姆R 0
R +r U r
) r =(1+) U +Ir =(0) U +Ir R 0R 0R 0
R 0R 0
E =U +I r 变形得:
R 0+r R 0+r
E '=U +Ir ' 对戊图,有:
R 0R 0
E ,r '=r 两式比较,得:E '=
R 0+r R 0+r
E =U +I 总r =U +(I +
如己图所示,为该等效电源的内部结构,易知:
U 开=
R 0R 0
E ,R AB =r ,得证。 R 0+r R 0+r
(3)一般情形:如右图所示为一般电路,则按顺序依次将处于内部的虚线框部分视为更外围部分的等效电源,则易知,等效电压源定理适用于一般电路。
二、等效电压源定理的应用
1、电源电动势和内阻测量的系统误差分析
该实验的理论依据是E =U +Ir ,其中U 为电源的端电压,I 为通过电源的电流;如图所示为该实验的两种测量电路。
左图中电流表测量的是通过电源的电流,但由于电流表的分压作用,电压表却测量的不是电源的端电压,右图中电压表测量的是电源的端电压,但由于电压表的分流作用,电流表测量的也不是通过电源的电流。
但是,两图中,电压表测量的都是虚线框两端的电压,电流表测量的都是通过虚线框的电流,因此,依据E =U +Ir 算出来的实际上是虚线框内等效电源的电动势和内阻,即左图:E 测=E ,r 测=r +R A , 右图:E 测=
R 0R 0
E ,r 测=r 。 R 0+r R 0+r
安箱法、伏箱法的误差分析,由于是把R 当做外电阻,与此同理,也是测量的虚线框内等效电源的电
动势和内阻。
2、动态电路相关问题的分析
【例】如图所示电路中,电源内阻不能忽略不计,电流表、电压表均视为
理想表,滑动变阻器总阻值足够大;当滑动变阻器滑片从左端向右滑动时,下列说法中正确的是:
A 、电流表A 示数减小 2 B 、电压表V 1、V 2示数减小
C 、电压表V 3示数变化的绝对值与电流表示数变化的绝对值之比为R
1
D 、滑动变阻器R 消耗的电功率先减小后增大
【解析】A 、考虑电流表A 读数时,可将R 1、R 3、E 视为一个等效电源(E 1、
E 1
r 1),如图虚线框所示,R 增大时,由闭合电路欧姆定律有I =,
r 1+R 2+R
电流表A 示数减小。
B 、电压表V 1的示数为电源E 的路端电压,R 增大时,电源E 的外阻增大,由闭合电路欧姆定律有U 1=
R 外
E ,可知电压V 1表示数增大;
R 外+r
考虑电压表V 2示数时,可将R 2视为等效电源(E 1、r 1)的外电阻的一部分,则由闭合电路欧姆定律有U 2=
R 2
E 1,可知R 增大时,U 2减小。
R +R 2+r 1
CD 、将除R 外的其余部分视为等效电源(E 2、r 2),则有U 3=E 2-
Ir 2,
可知
∆U 3
=-r 2,而不是R ——R 实际上是变化的;R 消耗的功率即为等效电源(E 2、r 2)的输出功率,由∆I
2E 2
;R 再增大,P m =出-R 外函数规律可知,R 从0逐渐增大到r 2时,P 逐渐增大;R =r 2时,P 最大,为P
4r 2
P 又减小。
【拓展】按此思路,结合串联分压、并联分流知识,易得出动态电路分析一个重要的结论——“串反并同”。
3、电路匹配的工作点问题
R
【例】某电阻器R x 的伏安特性曲线如下图中曲线所示,将其与定值电阻R 0=5Ω串联起来后,接在电动势E =3.0V、内阻r =1Ω的电源两端,如右图所示,则该电阻器的实际功率为多少?
【解析】电阻器R x 可看做是虚线框内等效电源(E '、r ')的外电阻,则R x 两端电压U 就是该等效电源的路端电压,通过的电流I 就是通过该等效电源的电流;因此,R x 的工作点(U ,I )必然同时在该等效电源的伏安特性曲线U =E '-Ir '和该电阻器的伏安特性曲线上,即两曲线的交点处。
已知E '=E =3. 0V ,r '=r +R 0=6Ω,代入U =E '-Ir ',得
U =3-6I ,其函数图线如图所示,则可知U =0.9V,I =0.35A,则该电阻
器的实际功率为P =IU =3.15W。
【拓展】其实,本题只是要得出通过R x 的电流就可以了,因此,直接将R x 与R 0合在一起作为一个元件,描出其伏安特性曲线后再与实际电源(E 、r )的伏安特性曲线求交点;或者,把R x 与电源(E 、r )合在一起作 为等效电源(E '=E ,r '=r +R x ),作其伏安特性曲线U =E '-Ir ',然后与R 0的伏安特性曲线求交点。不过,前述解析是最简单的一种。