在本单元知识应用的过程中,初学者常犯的错误主要表现在:不对电路进行分析就照搬旧的解题套路乱套公式;逻辑推理时没有逐步展开,企图走“捷径”;造成思维“短路”;对含有电容器的问题忽略了动态变化过程的分析。
1、电动机M和电灯L并联之后接在直流电源上,电动机内阻r′=1Ω,电灯灯丝电阻R=10Ω,电源电动势ε=12V,内阻r =1Ω,当电压表读数为10V时,求电动机对外输出的机械功率。
错解:
上述错解过程中有两处致命的错误:一是将电动机视为纯电阻处理了,电动机不属于纯电阻,而是将电能转化为机械能,错解中利用了并联电路中支路电流与电阻成反比的结论是不恰当的,因为该结论只适用于纯电阻电路,二是不明确电动机的输入功率Pm入与输出功率Pm出的区别,IM2r′是电动机内阻发热功率。三者的关系是:Pm入=Pm出+IM2r′。
正解:根据题意画出电路图,如图9-15所示。由全电路欧姆定律ε= U+Ir得出干路电流
由已知条件可知:流过灯泡的电流
电动机的输出功率的另一种求法:以全电路为研究对象,从能量转化和守恒的观点出发P源=P路。本题中电路中消耗电能的有:内电阻、灯泡和电动机,电动机消耗的电能又可分为电动机输出的机械能和电动机自身消耗的内能。即Iε=I2r+IL2R+Pm出+IM2r′。
Pm出=Iε-(I2r+IL2R++IM2r′)=9(W)
小结:站在能量转化与守恒的高度看电路各个部分的作用。就可以从全局的角度把握一道题的解题思路,就能比较清醒地分清公式规律的适用范围和条件。
2、把一个“10V 2.0W”的用电器A(纯电阻)接到某一电动势和内阻都不变的电源上,用电器A实际消耗的功率是2.0W,换上另一个“10V 5.0W”的用电器B(纯电阻)接到这一电源上,用电器B实际消耗的电功率有没有可能反而小于2.0W?你如果认为不可能,试说明理由,如果认为可能,试求出用电器B实际消耗的电功率小于2.0W的条件(设电阻不随温度改变)
错解:将“10V 2.0W”的用电器与电源连接,用电器正常工作说明用电器两端电压为10V,现将“10V 5.0W”的用电器B与电源连接,用电器两端电压是10V,B也能正常工作,实际功率是5.0W,所以用电器的实际功率不会小于2.0W。
把路端电压与电源电动势混为一谈,认为路端电压是恒定的,不随外电路改变而改变。
正解:
小结:根据电源最大输出功率的条件做出输出功率与外电阻图(P-R图如图9-16所示)做定性分析,也可以得到同样的结果。由题意可知RA接入电路时,若电源的输出功率达到最大输出功率,则RB接入电路时,电源的输出功率肯定小于最大输出功率2W。若电源的输出功率没有达到最大输出功率,RB接入电路时,电源的输出功率有可能小于RA接入电路时输出功率2W。
3、输电线的电阻共计10Ω,输送的电功率是100kw,用400V的低压送电,输电线上发热损失的功率是多少kw?改用10kV的高压送电,发热功率损失又是多少kw?
错解:
错解一是对欧姆定律使用不当,输送电压是加在输电线电阻和负载上的,如果把它考虑成输电线上的电压求电流强度当然就错了。错解二注意到了负载的作用,所求出的损失功率P1是正确的,然而在高压送电电路中,负载都是使用了变压器而错解二把它当作纯电阻使P2解错。
正解:输送电功率100kw,用400V低压送电,输电线上电流
输电线上损失功率
若用10kV高压送电输电线上电流
输电线上损失功率P2=I22r=102×1=0.1(kw)
小结:一道很简单的题目做错了,有些人将错解原因归结为:粗心、看错了题目。其实真正的原因是解题不规范。如果老老实实地画出电路图标出各个物理量,按图索骥就可以避免所谓的“粗心”的错误。
4、如图9-17,外电路由一个可变电阻R和一个固定电阻R0串联构成,电源电动势为ε,电源内阻为r,
问:R调到什么时候,R0上将得到最大功率。
错解:把可变电阻R看成电源内阻的一部分,即电源内阻r′= r+R。利用电源输出功率最大的条件是R=r′得R0=R+r,即R=R0-r,所以把可变电阻调到R=R2-r时,电路中R0上得到最大功率,其大小为
可变电阻R上得到的功率,决定于可变电阻的电流和电压,也可以用电源输出功率最大时的条件,内外电阻相同时电源有最大输出功率来计算。但是题目要求讨论定值电阻R0上的输出功率,则不能生搬硬套。定值电阻R0上的功率,决定于流过电阻R0的电流强,这与讨论可变电阻R上的功率不同。
正解:电流经过电阻R0,电流能转换成内能,R0上功率决定于电流强度大小和电阻值,即P=I2R0,所以当电流强度最大时,R0上得到最大功率。由纯电阻的闭合电路欧姆定律,有
小结:在讨论物理问题时选择研究对象是重要的一环。研究对象选错了,就要犯张冠李戴的错误。明明题目中要我们计算定值电阻的功率,有人却套用滑动变阻器的结论。所以认真审题找出研究对象,也是提高理解能力的具体操作步骤。
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