高职高专人才培养探究法学习研究
——以如何学习掌握好基尔霍夫定律为例
2014-04-28杨文强杨月春魏广华龚丽娟杨丽霞陈慧凤冀丽张锦萍
●杨文强 杨月春 魏广华 龚丽娟 杨丽霞 陈慧凤 冀丽 张锦萍
高职高专人才培养探究法学习研究
——以如何学习掌握好基尔霍夫定律为例
●杨文强 杨月春 魏广华 龚丽娟 杨丽霞 陈慧凤 冀丽 张锦萍
探究法教学是指教师引导学生主动参与到发现问题、寻找答案的过程中,以培养学生解决实际问题能力的教学活动。文章阐述了如何用探究法引导学生轻松学习基尔霍夫定律。
节点 支路 回路 基尔霍夫定律
在高职高专理工课程里,基尔霍夫定律为必修内容,学生学起来往往感到费力且枯燥乏味,本文阐述如何用探究法引导学生轻松学习基尔霍夫定律。
一、基尔霍夫电流定律的引入
师问:在图1中,总电流I与两个分电流I1、I2有什么关系?
图1
生答:总电流等于两个分电流之和,I=I1+I2。
师:三个电流I1、I2、I3一般不相同,它们分别属于电路的一个分支.电路中的每一个分支叫一条支路。
点A是三条支路的连接点。在电路中,三条或多条支路的连接点叫节点。
上式的另一说法:流入节点的电流等于流出该节点的电流之和。
师问:在图2中,流入节点A的电流为I1、I2,流出节点A的电流为I3、I4、I5、,这五个电流有什么关系?
图2
生答:不知道。
师:在时间t内,流入节点A的电量为q1=I1t,q2=I2t,流出节点A的电量为q3=I3t,q4=I4t,q5=I5t,电路正常工作时,点A是否积累电荷?
生答:不知道。
师带生分析:电路正常工作时,假定点A积累电荷,则q1+q2≠q3+q4+q5,若设I1=5A、I2=6A、I3=3A、I4=2A、I5=1A,则在5秒钟内点A积累的电量为:
25库仑的电量积累在点A,在距离点A1米远处产生的场强:
这样强的电场,将使点A周围空气被电离,产生强烈的火花放电,无异于雷电交加。在现实生活中我们没遇到过这种现象。事实上,电路停止工作后,用仪器检测,发现点A并不存在剩余电荷,因此,必有q1+q2=q3+q4+q5,即I1t+I2t=I3t+I4t+I5t,I1+I2=I3+I4+I5。
在电路中,任一时刻,流入节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。这就是著名的基尔霍夫电流定律。
基尔霍夫(1824~1887),德国物理学家,他发现电路遵守两条定律,一条是基尔霍夫电流定律,另一条是基尔霍夫电压定律,因此他成了世界著名的物理学家。
二、基尔霍夫电压定律的引入
师:图3是一个电流的闭合路径,叫回路。
设电源电动势E=30V,内阻r=0.5Ω,负载电阻R=9.5Ω,求电路电流、负载端电压、内阻的电压。
生解:电路电流
负载电压U=IR=3A×9.5Ω=28.5V
内阻电压U内=Ir=3A×0.5Ω=1.5V
师:对于电阻,沿着电流的方向看,电位逐渐降低,逆着电流的方向看,电位逐渐升高。对于电动势,沿着电流的方向看电位逐渐升高,逆着电流的方向看,电位逐渐降低。而且,30V=28.5V+1.5V,这说明,在电路中,若沿回路顺时针方向绕行一周,看到的是电动势产生的电压升,等于各电阻电压降之和。
师问:图4中,设E1=20V,r1=1Ω,E2=40V,r2=2Ω,R1=8Ω,R3=10Ω,计算电路电流和各个电阻电压,找出各电阻电压与电源电动势的关系。
图3
图4
生解:
师:上式说明,在电路中,沿回路绕行一周,各电动势产生的电压升之和等于各电阻电压降之和。这就是著名的基尔霍夫电压定律。
一般地,电源内阻在电源内部,有内阻的电源,输出电压值小于电动势的值。
师问:图5中(见230页)各元件参数已经标出,计算各支路电流。
生答:不会算。
师带生共同分析求解:该电路有三条支路:I1支路、I2支路、I3支路;有两个节点:节点A、节点B;有三个回路:
E1R1E2R2回路、E1R1R3回路、E2R2R3回路。
对节点A列基尔霍夫电流定律方程I1+I2=I3
对节点B列基尔霍夫电流定律方程I3=I1+I2
图5
这两个方程不独立,先舍去一个,保留另一个。对E1R1R3回路列基尔霍夫电压定律方程
对E2R2R3回路列基尔霍夫电压定律方程
联立三个方程并代入数据得
将式(1)中的I3代入式(2)、(3),再解二元一次方程组得,I1=4A,I2=6A,进而求得I3=10A。
师进一步说明:
a.该电路不能用欧姆定律结合电阻串并联公式求解,称它为复杂电路。一个电路是不是复杂电路,不以电路元件多少而论。
b.有n个节点的电路,对其中n-1个节点列基尔霍夫电流定律方程即可。
c.列基尔霍夫电压定律方程时,所得方程应最简单。
图5中,若对E1R1E2R2回路列方程,则较复杂,但也能解。
d.列基尔霍夫电压定律方程时,应先选择回路绕行方向,顺时针绕行、逆时针行绕皆可。
e.对该题所列方程联立,得三元一次方程组,已很难解,更复杂的电路,列方程后只能用矩阵来解。
[1] 杨月春等.对一个RC电路动态响应的研究.技术物理教学,2011(1)
[2] 陈柯.初探基尔霍夫定律与中学电学知识的联系与运用.物理通报,2012(8)
(作者单位:中原油田技术安全培训部 河南濮阳 457001)
(责编:贾伟)
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