解析串聯並聯電路的簡化
在我們平常所遇到的串聯、並聯電路問題中,最頭痛的莫過於碰到一個複雜的電路而不知如何下手。其實,對於物理中的複雜電路計算,可採取簡化電路的方法,化為幾個簡單的問題進行解決。簡化電路的原則是根據題目提出的要求,取消被短路與開路的器件,保留通路的器件,從而簡化出其等效電路。有些一開始看起來束手無策的複雜難題,簡化後就會變得簡單易懂,解題自然是水到渠成。在解答覆雜的物理題的同時,我們也會真正體會到“山重水複疑無路,柳暗花明又一村”的意境。
一、錯誤原因分析
簡化電路時可用的方法很多,分析我們平常化簡不好的原因可知,主要是存在以下三個問題:
(1)沒有搞清電錶測的是哪部分電路的電流或電壓,造成簡化電路時電錶復位不正確。
(2)對基本測量儀器的工作原理理解的不深。例如對滑動變阻器的兩種接法(串聯限流接法和分壓接法)的區別及使用條件沒有清楚的認識。
(3)不能正確識別、處理電路中含有的無電流電阻。通常串聯在電容器支路中的電阻,跟理想電壓表串聯的電阻都可視為無電流電阻,簡化電路時可用理想導線替換;被理想導線或被理想電流表短路的電阻也是無電流電阻,簡化電路時應把這種電阻視為斷路,從電路中拆除。
二、簡化電路的具體方法
(1)支路電流法:
電流是分析電路的核心。從電源正極出發順著電流的走向,經各電阻外電路巡行一週至電源的負極,凡是電流無分叉地依次流過的電阻均為串聯,凡是電流有分叉地依次流過的電阻均為並聯。
(2)節點跨接法:
將已知電路中各節點編號,按電勢由高到低的順序依次用1、2、3……數字標出來(接於電源正極的節點電勢最高,接於電源負極的節點電勢最低,等電勢的節點用同一數字,併合併為一點)。然後按電勢的高低將各節點重新排布,再將各元件跨接到相對應的'兩節點之間,即可畫出等效電路。
例:由5個1Ω電阻連成的如圖1所示的電路,導線的電阻不計,則A、B間的等效電阻為________Ω。
策略:本題採用節點法,就是將圖示電路中的節點找出來,凡是用導線相連的節點可認為是同一節點,然後假設電流從A端流入,從B端流出的原則來分析電流經過電路,則各電阻的連線形式就表現出來了。
解析:按從A到B的順序把5個電阻分成R1、R2、R3、R4、R5,其節點標示如圖2所示。由於節點R2、R3間和A點是用導線相連,這兩點是等勢點,故兩節點可用同一個數字1標出,當電流從A點流入時可以同時流向電阻R1、R2、R3,從電阻R1和電阻R2流出的電流匯合於2點,到達R4和R5間的節點,故R4和R5間的節點也用2標出,R3、R4間的節點和B點間是導線相連,也是等勢點,故均用3標出,電流再從電阻R4和電阻R5經節點3流出,而流向電阻R3的電流則直接經節點3流出,簡化後其等效電路如圖3所示。
故AB間的總電阻為0.5Ω。
小結:在分析電路時,首先應找出各個節點,凡是用導線相連的兩節點是等勢點(當兩節點間連有電阻可以忽略或理想的電流表時),可以等效為一個節點,連在兩個相鄰的節點間的電阻是並聯的(如圖2中的電阻R1和電阻R2,電阻R4和R5),當把最基本的電路等效後,再對高一級電路進一步分析,即電阻R1和電阻R2並聯後與電阻R4和R5並聯後串聯,之後再與電阻R3並聯,這種逐級分析的方法在分析等效電路中是很有效的。