利用U(I)-I(U)图线交点解非线性电阻的串联问题

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  非线性电阻串联时由于电阻随所加电压的变化而发生变化,因此不能直接利用欧姆定律进行求解。下面介绍一种求解此类问题的方法。
  先看两个U-I图线,对于电阻来讲如图1所示,b是电阻R的伏安特性曲线(此图中电阻为线性电阻)。而a是某电源的外特性曲线(路端电压随电流变化关系图线)。由图可知这两条线的交点,对应电源路端电压和电阻两端的电压相等,电流相等。实际上该交点对应的电压、电流值就是这个电源和这个电阻串联时的工作电压和电流。
  
  分析与解 当电源内阻等于零时,电源的外特性曲线是一条平行于电流轴的直线,如图2(a)所示,作出电源的外特性曲线a。找出其与灯泡I-U图线的交点,已知电压为220V时,甲、乙的电流分别为18×10-2A和27×10-2A。经计算得甲乙两灯泡的功率分别为40W和60W。因此正确答案为选项C。
  
  2 非线性电阻与有内阻的电源串联
  
  例2 图3为某个电灯I-U图像,将此灯连接在电动势为8V,内阻为2Ω的电源两端,求其功率。
  
  分析与解 设此时电灯两端的电压为U,流过每个电灯的电流为I,根据闭合电路欧姆定律得:E=2IR0 U,代入数据得U=8-20I。
  在图4上画出此直线,得到如图4(b)所示的图象,可求得直线和曲线的交点坐标为(2V,0.3A),即流过电灯的电流为0.3A,流过电流表的电流强度为0.6A,此时电灯的电阻为:
  R=UL/IL=6.7Ω。
  
  4 两个非线性电阻串联
  
  例4 “220V、60W”的白炽灯A和“220V、100W”的白炽灯B的伏安特性曲线如图5所示,若将两白炽灯串联后接在220V的电源上,两灯实际消耗的电功率各是多少?
  
  分析与解 由题意可知,UA UB=220V,如图5(a)所示,选(220V,0)为另一坐标系的原点,原U轴的相反方向为另一坐标系的电压轴正方向,另一坐标系的电流轴正方向与原坐标系相同。把B灯的伏安特性曲线反过来画,得到在另一坐标系中B灯的伏安特性曲线B′。B′与A两条伏安特性曲线的交点为P,由P点的坐标可知两灯中的电流强度均为I=0.25A,两灯的电压分别为:UA=150V,UB=70V。
  根据电功率的定义式可知两灯实际消耗的电功率为:
  PA=IUA=37.5W,PB=IUB=17.5W。
  (栏目编辑罗琬华)
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