闭合电路的欧姆定律U—I图象的应用

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  类型1外电路只有一个用电器
  例1如图1,电源电动势E=3.0 V,内电阻r=1.0 Ω,R=1.0 Ω,请画出电源和电阻R的U-I图象.求:R的功率是多少?
  解析根据路端电压与干路电流的关系U=E-Ir,在图2中作电源的U-I关系图象,如图虚线所示,两图象的交点即为电阻R的工作点.
  UR=1.5 V,IR=1.5 A,
  电阻的实际功率
  P=URIR=1.5×1.5=2.25 W.
  例2如图3,电源电动势E=3.0 V,内电阻r=1.0 Ω,图4为灯L的U-I特性曲线,求灯泡的实际功率是多少?
  解析此情景和例1是同一类型,不同之处在于外电路用电器是个非线性元件.在图4中作电源的U-I关系图象,如图虚线所示,两图象的交点即为电阻R的工作点.
  UL=1.6 V,IL=1.4 A,
  电阻的实际功率P=URIR=1.6×1.4=2.24 W.
  类型二外电路两个用电器为非线性元件
  例3如图5,电源电动势E=3.0 V,内电阻r=1.0 Ω,图6为灯L1、L2的U-I特性曲线,求灯泡的L1L2实际功率各是多少?
  解析因为电源与灯泡L1L2串联,所以通过三者的电流相等,根据路端电压与干路电流的关系U=E-Ir,在图6中作电源的U-I关系图线,两灯工作时I1=I2=I,U1 U2=U,以电压轴为基准,作一条等电流线,如图虚线所示,四条图线的交点即为两灯和电源的工作点.
  U1=0.6 V,I1=1.0 A,U2=1.4 V,I2=1.0 A,
  故灯L1L2的实际功率
  P1=U1I1=0.6×1.0=0.6 W,
  P2=U1I2=1.4×1.0=1.4 W.
  例4如图7,电源电动势E=3.0 V,内电阻r=1.0 Ω,图8为灯L1L2的U-I特性曲线,求灯泡的L1L2实际功率各是多少?
  解析因为电源与灯泡L1、L2并联,所以三者的电压相等,根据路端电压与干路电流的关系U=E-Ir,在图8中作电
  2.当交流电路为正弦式交变电路时,P=UI的适用条件为电压与电流的相位差为π的整数倍.这就是在含有感抗电路中无法利用P=UI来计算有功功率的原因.源的U-I关系图线,两灯工作时U1=U2=U,I1 I2=I,以电流轴为基准,作一条等电压线,如图虚线所示,四条图线的交点即为两灯和电源的工作点.
  U1=1.0 V,I1=1.0 A,U2=1.0 V,I2=1.0 A,
  故灯L1L2的实际功率
  P1=P2=U1I1=1.0×1.0=1.0 W.
  类型三外电路两个用电器一个为非线性元件一个为线性元件
  例5如图9,电源电动势E=3.0 V,内电阻r=1.0 Ω,R=1.0 Ω,图10为灯L的U-I特性曲线,求灯泡的L实际功率是多少?
  思路一因为电源与灯泡L,R串联,所以通过三者的电流相等,根据路端电压与干路电流的关系U=E-Ir,在图10中作电源的U-I关系图线,两灯工作时I1=I2=I,U1 U2=U,以电压轴为基准,作一条等电流线,如图虚线所示,四条图线的交点即为两灯和电源的工作点.
  U1=1.0 V,I1=1.0 A,U2=1.0 V,I2=1.0 A,
  故灯L1L2的实际功率
  P1=P2=U1I1=1.0×1.0=1.0 W.
  思路二在电路分析中我们经常要把一部分有源电路等效为电源,即等效电源.等效电源的电动势E′等于开路时的路端电压,等效电源的内阻r′等于该有源电路除源(电源的电动势看作零,电源看作电阻)后的等效阻值.电源和一个定值电阻串联组成的等效电源如图11所示,
  E′=E,r′=R r,
  根据路端电压与干路电流的关系U=E-Ir,在图12中作等效电源的U-I关系图象,如图虚线所示,两图象的交点即为电阻L的工作点.
  UR=1.0 V,IR=1.0 A,
  灯泡的实际功率
  P=ULIL=1.0×10.0=1.0 W.
  例6如图13,电源电动势E=3.0 V,内电阻r=1.0 Ω,R=1.0 Ω,图14为灯L的U-I特性曲线,求灯泡的L实际功率是多少?
  思路一因为电源与灯泡L和电阻并联,所以两者的电压相等,根据路端电压与干路电流的关系U=E-Ir,在图14中作电源的U-I关系图线,两灯工作时U1=U2=U,I1 I2=I,以电流轴为基准,作一条等电压线,如图虚线所示,四条图线的交点即为两灯和电源的工作点.
  U1=1.0 V,I1=1.0 A,
  故灯L的实际功率
  P1=U1I1=1.0×1.0=1.0 W.
  思路二等效电源法
  如图15,虚线框内部分当做等效电源.闭合电路的欧姆定律U=E-Ir表述了干路电流I和路端电压U的函数关系,干路电流I和路端电压U分别为函数的自变量和因变量.将电阻看做电源的一部分,则自变量应该变化为灯泡电流IL.
  由电流关系有
  I=IR IL(1)
  IR=UR(2)
  则由闭合电路欧姆定律有U=E-(IL URr,
  变形得到新的函数关系为U=RR rE-ILRR rr.
  在图16中作等效电源的U-I关系图象,如图虚线所示,
  其中E′=RR rE,r′=RR rr,
  两图象的交点即为电阻L的工作点.
  UL=1.0 V,IL=1.0 A,
  灯泡的实际功率
  P=ULIL=1.0×1.0=1.0 W.
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