توصيات لحل المشكلات غير التقليدية لحساب الدوائر الكهربائية بالتيار المستمر
مقدمة
يعد حل المشكلات جزءًا لا يتجزأ من تدريس الفيزياء ، حيث أنه في عملية حل المشكلات ، يتم تكوين وإثراء المفاهيم الفيزيائية ، ويتطور التفكير البدني للطلاب وتتحسن مهاراتهم في تطبيق المعرفة في الممارسة.
في سياق حل المشكلات ، يمكن تحديد الأهداف التعليمية التالية وتنفيذها بنجاح:
- اقتراح مشكلة وخلق حالة مشكلة ؛
- تلخيص المعلومات الجديدة ؛
- تكوين المهارات والقدرات العملية ؛
- التحقق من عمق المعرفة وقوتها ؛
- توحيد وتعميم وتكرار المواد ؛
- تنفيذ مبدأ الفنون التطبيقية ؛
- تطوير إِبداعالطلاب.
إلى جانب ذلك ، عند حل المشكلات ، يتم تربية أطفال المدارس على الاجتهاد وفضول العقل والإبداع والاستقلالية في الأحكام والاهتمام بالتعلم والإرادة والشخصية والمثابرة في تحقيق الهدف. لتحقيق هذه الأهداف ، من الملائم بشكل خاص استخدام المهام غير التقليدية.
§واحد. مهام لحساب الدوائر الكهربائية التيار المباشر
وفقًا للمنهج الدراسي ، يتم تخصيص القليل جدًا من الوقت للنظر في هذا الموضوع ، لذلك يتقن الطلاب بشكل أو بآخر طرق حل المشكلات من هذا النوع. ولكن غالبًا ما توجد هذه الأنواع من المهام في مهام الأولمبياد ، لكنها تستند إلى الدورة المدرسية.
لمثل هذه المهام غير القياسية للحساب الدوائر الكهربائيةيمكن أن يعزى التيار المباشر إلى مهام ، مخططات منها:
2) متناظرة.
3) تتكون من مركبات مختلطة معقدة من العناصر.
بشكل عام ، يمكن حساب أي دائرة باستخدام قوانين كيرشوف. ومع ذلك ، هذه القوانين ليست كذلك المناهج الدراسية. بالإضافة إلى ذلك ، لا يمكن للعديد من الطلاب حل نظام من عدد كبير من المعادلات مع العديد من المجهول بشكل صحيح ، وهذا المسار ليس كذلك أفضل طريقةإضاعة الوقت. لذلك ، يجب أن تكون قادرًا على استخدام الطرق التي تتيح لك العثور بسرعة على المقاومة والسعة للدوائر.
§2. طريقة الدائرة المكافئة
تتمثل طريقة الدوائر المكافئة في أنه يجب تقديم الدائرة الأصلية في شكل أقسام متسلسلة ، ترتبط كل منها عناصر الدائرة إما في سلسلة أو على التوازي. لمثل هذا التمثيل ، يجب تبسيط المخطط. في إطار تبسيط الدائرة ، سوف نفهم اتصال أو فصل أي عقد في الدائرة ، وإزالة أو إضافة المقاومات والمكثفات ، مما يضمن أن الدائرة الجديدة للسلسلة والعناصر المتصلة المتوازية تعادل الدائرة الأصلية.
الدائرة المكافئة هي دائرة عندما يتم تطبيق نفس الفولتية على الدوائر الأصلية والمحولة ، فإن التيار في كلتا الدائرتين سيكون هو نفسه في الأقسام المقابلة. في هذه الحالة ، يتم إجراء جميع الحسابات باستخدام المخطط المحول.
لرسم دائرة مكافئة لدائرة ذات عقدة اتصال مختلطيمكن استخدام المقاومات بعدة طرق. سنقتصر على التفكير بالتفصيل في واحدة منها فقط - طريقة العقدة متساوية الجهد.
تكمن هذه الطريقة في حقيقة أن النقاط ذات الإمكانات المتساوية توجد في الدوائر المتماثلة. ترتبط هذه العقد ببعضها البعض ، وإذا تم توصيل جزء من الدائرة بين هذه النقاط ، فيتم تجاهلها ، نظرًا لتكافؤ الإمكانات في النهايات ، لا يتدفق التيار خلالها ولا يؤثر هذا القسم المقاومة الكلية للدائرة.
وبالتالي ، فإن استبدال عدة عقد ذات إمكانات متساوية يؤدي إلى دائرة مكافئة أبسط. لكن في بعض الأحيان يكون من الأنسب استبدال عقدة واحدة بشكل عكسي
عدة عقد ذات إمكانات متساوية ، والتي لا تنتهك الظروف الكهربائيةفي بقية.
ضع في اعتبارك أمثلة لحل المشكلات بهذه الطرق.
نظرًا لتماثل فروع السلسلة ، فإن النقطتين C و D متساويتان في الجهد. لذلك ، يمكننا استبعاد المقاوم بينهما. نقوم بتوصيل النقاط متساوية الجهد C و D في عقدة واحدة. نحصل على دارة مكافئة بسيطة للغاية:
مقاومته:
RAB = Rac + Rcd = r * r / r * r + r * r / r + r = r.
المهمة رقم 2
عند النقطتين F و F` ، تكون الإمكانات متساوية ، مما يعني أنه يمكن التخلص من المقاومة بينهما. تبدو الدائرة المكافئة كما يلي:
مقاومات القسم DNB ؛ F`C`D` ؛ D` ، N` ، B` ؛ FCD متساوية مع بعضها البعض وتساوي R1:
1 / R1 = 1 / 2r + 1 / r = 3 / 2r
مع وضع هذا في الاعتبار ، يتم الحصول على دائرة مكافئة جديدة:
مقاومتها ومقاومة الدائرة الأصلية RAB تساوي:
1 / RAB = 1 / ص + R1 + R1 + 1 / ص + R1 + R1 = 6/7 ص
المهمة رقم 3.
النقطتان C و D لهما إمكانات متساوية. الاستثناء هو المقاومة بينهما. نحصل على الدائرة المكافئة:
المقاومة المطلوبة RAB تساوي:
1 / RAB = 1 / 2r + 1 / 2r + 1 / r = 2 / r
المهمة رقم 4.
كما يتضح من الرسم البياني ، فإن العقد 1،2،3 لها إمكانات متساوية. دعنا نربطهم بالعقدة 1. تحتوي العقد 4،5،6 أيضًا على إمكانات متساوية - دعنا نربطها بالعقدة 2. نحصل على الدائرة المكافئة التالية:
المقاومة في القسم A-1 ، R 1 تساوي المقاومة في القسم 2-B ، R3 وتساوي:
المقاومة في القسم 1-2 هي: R2 = r / 6.
الآن نحصل على الدائرة المكافئة:
المقاومة الكلية RAB هي:
RAB \ u003d R1 + R2 + R3 \ u003d (5/6) * ص.
المهمة رقم 5.
النقاط C و F. دعنا نربطهم في عقدة واحدة. ثم ستبدو الدائرة المكافئة كما يلي:
مقاومة قسم التيار المتردد:
المقاومة في القسم FN:
المقاومة في القسم DB:
اتضح أن الدائرة المكافئة:
المقاومة الإجمالية المطلوبة تساوي:
المهمة رقم 6
دعونا نستبدل العقدة المشتركة O بثلاث عقد ذات إمكانات متساوية O ، O 1 ، O 2. نحصل على النظام المكافئ:
المقاومة في القسم ABCD:
المقاومة في القسم A`B`C`D`:
المقاومة في قسم ACB
نحصل على الدائرة المكافئة:
المقاومة الكلية المطلوبة للدائرة R AB هي:
R AB = (8/10) * ص.
رقم المهمة 7.
دعونا "نقسم" العقدة O إلى زاويتين متساويتين الجهد O 1 و O 2. يمكن الآن تمثيل الدائرة كاتصال متوازي لدائرتين متطابقتين. لذلك يكفي النظر في إحداها بالتفصيل:
مقاومة هذه الدائرة R 1 هي:
ثم ستكون مقاومة الدائرة بأكملها مساوية لـ:
المهمة رقم 8
العقدان 1 و 2 متساويتان في الجهد ، لذلك دعونا نربطهما في عقدة واحدة 1. العقدتان 3 و 4 متساويتان أيضًا - متصلتان بعقدة أخرى II. تبدو الدائرة المكافئة كما يلي:
المقاومة في القسم A-I تساوي المقاومة في القسم B-II وتساوي:
مقاومة القسم I-5-6-II هي:
مقاومة القسم الأول والثاني تساوي:
نحصل على الدائرة المكافئة النهائية:
المقاومة الكلية المطلوبة للدائرة R AB \ u003d (7/12) * r.
المهمة رقم 9
في فرع نظام التشغيل ، نقوم باستبدال المقاومة بمقاومتين متصلتين بشكل متوازي بمقدار 2r لكل منهما. يمكن الآن تقسيم العقدة C إلى عقدتين متساويتين الجهد C 1 و C 2. تبدو الدائرة المكافئة في هذه الحالة كما يلي:
المقاومة في القسمين OS I B و DC II B متساوية ومتساوية ، حيث يسهل حساب 2r. مرة أخرى نرسم الدائرة المكافئة المقابلة:
المقاومة في قسم AOB تساوي المقاومة في قسم ADB وتساوي (7/4) * r. وبالتالي ، نحصل على الدائرة المكافئة النهائية لثلاثة مقاومات متصلة بالتوازي:
مقاومتها الكلية هي R AB = (7/15) * r
المهمة رقم 10
نقاط COD لها إمكانات متساوية - دعنا نربطها في عقدة واحدة O أناالدائرة المكافئة موضحة في الشكل:
المقاومة في القسم أ أنايساوي. في القسم يا أناالمقاومة تساوي. نحصل على دارة مكافئة بسيطة للغاية:
مقاومة ITS تساوي المقاومة الإجمالية المطلوبة
تم حل المشكلات رقم 11 ورقم 12 بطريقة مختلفة قليلاً عن السابقة. في المشكلة 11 ، يتم استخدام خاصية خاصة للسلاسل اللانهائية لحلها ، وفي المشكلة 12 ، يتم استخدام طريقة تبسيط السلسلة.
رقم المهمة 11
دعونا نفرد رابط التكرار اللانهائي في هذه السلسلة ؛ في هذه الحالة ، يتكون من المقاومات الثلاثة الأولى. إذا تجاهلنا هذا الارتباط ، فلن تتغير المقاومة الكلية للدائرة اللانهائية R من هذا ، حيث ستظهر نفس الدائرة اللانهائية بالضبط. أيضًا ، لن يتغير شيء إذا قمنا بتوصيل الرابط المحدد مرة أخرى بالمقاومة اللانهائية R ، ولكن تجدر الإشارة إلى أن جزءًا من الارتباط والدائرة اللانهائية بالمقاومة R متصلان بالتوازي. وهكذا نحصل على الدائرة المكافئة:
اتضح المعادلات
لحل نظام هذه المعادلات ، نحصل على:
§3. تعلم حل مشاكل حساب الدوائر الكهربائية بطريقة العقد متساوية الجهد
المهمة هي مشكلة يحتاج فيها الطالب إلى التفكير المنطقي والاستدلال. مبني على أساس قوانين وأساليب الفيزياء. وبالتالي ، بمساعدة المهام ، يتم تنشيط التفكير الهادف للطلاب.
في نفس الوقت. يمكن اعتبار المعرفة النظرية مكتسبة فقط عندما يتم تطبيقها بنجاح في الممارسة العملية. تصف المشكلات في الفيزياء المشكلات التي غالبًا ما يتم مواجهتها في الحياة والعمل ، والتي يمكن حلها باستخدام قوانين الفيزياء ، وإذا نجح الطالب في حل المشكلات ، فيمكننا القول إنه يعرف الفيزياء جيدًا.
لكي يتمكن الطلاب من حل المشكلات بنجاح ، لا يكفي وجود مجموعة من الأساليب والأساليب لحل المشكلات ، بل من الضروري أيضًا تعليم تلاميذ المدارس كيفية استخدام هذه الأساليب على وجه التحديد.
ضع في اعتبارك خطة لحل مشاكل حساب الدوائر الكهربائية للتيار المستمر عن طريق طريقة العقد متساوية الجهد.
- شروط القراءة.
- بيان موجز عن الحالة.
- قم بالتحويل إلى وحدات SI.
- تحليل الدائرة:
- تحديد ما إذا كانت الدائرة متناظرة ؛
- تعيين نقاط ذات إمكانات متساوية ؛
- اختر ما هو أكثر ملاءمة للقيام به - ربط النقاط ذات الإمكانات المتساوية أو ، على العكس من ذلك ، قسّم نقطة واحدة إلى عدة نقاط ذات إمكانات متساوية ؛
- ارسم دائرة مكافئة
- البحث عن المؤامرات ذات المسلسل فقط أو فقط مع اتصال موازيةوحساب المقاومة الإجمالية في كل قسم وفقًا لقوانين التوصيل المتسلسل والتوازي ؛
- رسم دائرة مكافئة ، واستبدال الأقسام بمقاومات التصميم المقابلة لها ؛
- كرر الخطوتين 5 و 6 حتى تبقى مقاومة واحدة ، والتي ستكون قيمتها هي الحل للمشكلة.
- تحليل حقيقة الجواب.
تعرف على المزيد حول تحليل المخطط
أ) تحديد ما إذا كانت الدائرة متناظرة.
تعريف. تكون الدائرة متناظرة إذا كان نصفها صورة معكوسة للآخر. علاوة على ذلك ، يجب ألا يكون التناظر هندسيًا فحسب ، بل يجب أيضًا أن تكون القيم العددية للمقاومات أو المكثفات متماثلة.
الدائرة متناظرة ، لأن فرعي ASV و ADV متماثلان هندسيًا ونسبة المقاومة في قسم واحد AS: AD = 1: 1 هي نفسها كما في القسم الآخر SD: DV = 1: 1.
الدائرة متناظرة ، لأن نسبة المقاومة في القسم AS: AD = 1: 1 هي نفسها كما في القسم الآخر SV: DV = 3: 3 = 1: 1
الدائرة غير متناظرة ، لأن نسب المقاومة عدديًا
غير متماثل -1: 2 و 1: 1.
ب) إنشاء نقاط ذات إمكانات متساوية.
من اعتبارات التناظر ، نستنتج أن الإمكانات متساوية عند نقاط متماثلة. في هذه الحالة ، تكون النقاط المتماثلة هي النقطتان C و D. وبالتالي ، فإن النقطتين C و D هما نقطتان متساويتان في الجهد.
ج) اختر ما هو ملائم للقيام به - قم بتوصيل نقاط ذات إمكانات متساوية أو ، على العكس ، قسّم نقطة واحدة إلى عدة نقاط ذات إمكانات متساوية.
نرى في هذا المثال أن المقاومة متضمنة بين نقاط ذات إمكانات متساوية C و D ، والتي من خلالها لن يتدفق أي تيار. لذلك ، يمكننا تجاهل هذه المقاومة ، وربط النقطتين C و D في عقدة واحدة.
د) ارسم دائرة مكافئة.
نرسم دائرة مكافئة. في هذه الحالة ، نحصل على مخطط بنقطتين C و D متصلتين عند نقطة واحدة.
هـ) ابحث عن أقسام ذات اتصال تسلسلي أو متوازي فقط وحساب المقاومة الإجمالية في كل قسم وفقًا لقوانين التوصيل المتسلسل والتوازي.
من الدائرة المكافئة الناتجة ، يمكن ملاحظة أنه في قسم التيار المتردد لدينا مقاومتان متصلتان بالتوازي. تم العثور على مقاومتهم الكلية وفقًا لقانون الاتصال الموازي:
1 / Rtot = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3 + ...
وهكذا 1 / RAC = 1 / r + 1 / r = 2 / r ، حيث RAC = r / 2.
في قسم NE ، الصورة مشابهة:
1 / RCB = 1 / r + 1 / r = 2 / r ، حيث RCB = r / 2.
ه) رسم دائرة مكافئة ، واستبدال الأقسام بمقاومات التصميم المقابلة لها.
نرسم دائرة مكافئة عن طريق استبدال المقاومات المحسوبة لأقسام RAC و RCB فيها:
ز) النقاط هـ) و و) كرر حتى تبقى مقاومة واحدة ، ستكون قيمتها هي الحل للمشكلة.
نكرر الفقرة ه): في القسم AB لدينا مقاومان متصلان على التوالي. تم العثور على مقاومتهم الكلية وفقًا لقانون الاتصال التسلسلي:
Rtot = R1 + R2 + R3 + ... أي RAB = RAC + RCB = r / 2 + r / 2 = 2r / 2 = r.
نكرر الفقرة ه): ارسم دائرة مكافئة:
حصلنا على دارة بمقاومة واحدة قيمتها تساوي مقاومة الدائرة الأصلية. وهكذا ، حصلنا على الإجابة RAB = r.
المؤلفات
- بلاش. V.A. مشاكل في الفيزياء وطرق حلها. - م: التنوير 1983.
- Lukashik V. أولمبياد الفيزياء - م: التربية 2007
- أوسوفا إيه في ، بوبروف أ. تكوين المهارات والقدرات التربوية لدى الطلاب في دروس الفيزياء - م: التربية ، 1988
- خطت أ. طرق حساب الدوائر المكافئة // Kvant.
- Chertov A. G. كتاب مهمة في الفيزياء. - م: المدرسة العليا 1983
- Ziyatdinov Sh.G.، Solovyanyuk S.G. (إرشادات) بيرسك ، 1994
- مارون إيه ، مارون إ. الفيزياء. المواد التعليمية. موسكو ، "دروفا" ، 2004
تم وصف عدة طرق لتحويل الدوائر الكهربائية في الأدبيات. تصف هذه المقالات أيضًا طرقًا لتبسيط الدوائر بنقاط ذات إمكانات متساوية. ولكن عند حل مثل هذه المشكلات ، يكتب المؤلفون عادةً على النحو التالي: "يتضح من تناظر فروع السلسلة أن النقاط فيو دلديهم إمكانات متساوية "، على الرغم من أن هذا المظهر ليس واضحًا تمامًا.
دعونا نفكر في طرق إيجاد نقاط ذات الإمكانات بمزيد من التفصيل. لنحصل على دائرة كهربائية تتكون من مقاومات ص 1 , ص 2 , …, ص 8 (الشكل 1 أ). لنرسم خطًا مستقيمًا عبر نقاط اتصال الدائرة AB(الشكل 1 ب).
1 الطريق. إذا كانت الدائرة تحتوي على موصلات لها نفس المقاومة ، وتقع بشكل متماثل حول محور أو مستوى معين ، فإن نهايات هذه الموصلات لها نفس الإمكانات. حيث ستكون النقاط متماثلة فيما يتعلق بالخط المستقيم AB إذا كانت مقاومات أقسام الدائرة بين النقاط المعينة وأي نقاط من هذا الخط المستقيم متساوية.
باستخدام هذه الميزة ، يمكننا أن نستنتج أن النقاط من 1 و من 2 (الشكل 1 ب) سيكون متماثلًا بالنسبة للخط المستقيم AB، إذا ص 1 = ص 2 (المقاومة بين النقطة لكنو من 1 وبين النقطة لكنو من 2 متساوون) و ص 5 = ص 6 (المقاومة بين النقطة فيو من 1 وبين النقطة فيو من 2 متساوون). وبالمثل ، النقاط من 3 و من 4 سيكون متماثلًا حول خط مستقيم AB، إذا ص 3 = ص 4 و ص 7 = ص 8 .
لكن. 
ب.
أرز. واحد.
2 طريقة. النقاط لها نفس الإمكانات إذا كانت نسب المقاومة بين النقاط المحددة ونقاط الاتصال متساوية.
على سبيل المثال ، النقاط من 1 و من 2 (الشكل 1 أ) لها نفس الإمكانات، إذا . وبالمثل ، النقاط من 3 و من 4 ديك نفس الإمكانات، إذا .
سنوضح بأمثلة كيف يمكن استخدام هذه الطرق لتحويل الدوائر الكهربائية.
طريقة الجمع بين العقد متساوية الجهد: نقاط مع نفس الإمكاناتيمكن أن تكون متصلا عقدة .
مثال 1. حدد مقاومة الدائرة الكهربائية (الشكل 2) ، إذا: أ) ص 1 = ص 3 = 2ص, ص 2 = ص 4 = ص, ص 5 = 3ص؛ ب) ص 1 = ص 4 = 2ص, ص 2 = 4ص, ص 3 = ص, ص 5 = 5ص.
أرز. 2.
أ) إذا قمت برسم خط مستقيم من خلال نقاط الاتصال AB(الشكل 3 أ) ، فإن مقاومات المقاطع متساوية تيار متردد 1 و تيار متردد 2 (ص 1 = ص 3) ، وتساوي مقاومة المقاطع الشمس 1 و الشمس 2 (ص 2 = ص 4). لذلك ، فإن النقاط من 1 و من ABولديهم إمكانات متساوية.
يمكن توصيل النقاط ذات الإمكانات نفسها بالعُقد (الشكل 3 ، ب). المقاومات ص 1 و ص ص 2 و ص 4 - بالتوازي المقاطع 1/3 و 2/4
ب) إذا قمت برسم خط مستقيم AB(الشكل 3 أ) ، ثم مقاومة المقاطع تيار متردد 1 و تيار متردد 2 ليست متساوية ، ومن هنا النقاط من 1 و من 2 غير متناظرة حول خط مستقيم AB. لكن النقاط من 1 و من 2 لديهم إمكانات متساوية، لان 
.
يمكن ربط النقاط ذات الإمكانات نفسها بالعُقد (الشكل 3 ب). المقاومات ص 1 و ص 3 متصلة بالتوازي ، والمقاومات ص 2 و ص 4 - بالتوازي المقاطع 1/3 و 2/4 بالتتابع. بالتالي،
أ 
ب
أرز. 3.
مثال 2 لكن 1 و في 3 (الشكل 4). مقاومة كل ضلع ص 0 .
أرز. أربعة. 
أرز. 5.
لكن 1 في 3 (الشكل 5). المقاومات متساوية (الأطوال متساوية - الأضلاع) للأقسام لكن 1 في 1 , لكن 1 لكن 2 و لكن 1 لكن 4 ، ومقاومات متساوية (أطوال متساوية - أقطار) من الأقسام في 3 في 1 , في 3 لكن 2 و في 3 لكنأربعة. ومن هنا جاءت النقاط في 1 , لكن 2 و لكن لكن 1 في 3 ولها إمكانات متساوية. تساوي مقاومة المؤامرات لكن 1 لكن 3 , لكن 1 في 2 و لكن 1 في في 3 لكن 3 , في 3 في 2 و في 3 فيأربعة. ومن هنا جاءت النقاط لكن 3 , في 2 و في 4 متناظرة حول خط مستقيم لكن 1 في 3 ولها إمكانات متساوية.
يمكن ربط النقاط ذات الإمكانات نفسها بالعُقد (الشكل 6). ثلاث مقاومات ص 0 متصل بالتوازي بين النقاط لكن 1 و لكن 2 (في 1 , لكن 4) ، ستة مقاومات ص لكن 2 (في 1 , لكن 4) و لكن 3 (في 2 , في 4) ، ثلاث مقاومات ص 0 - موازٍ بين النقطتين لكن 3 (في 2 , في 4) و في 3 ، الأقسام بين هذه النقاط متصلة في سلسلة. بالتالي،
. 
أرز. 6.
مثال 3. أوجد مقاومة المكعب السلكي بين النقطتين لكن 1 و في 2 (الشكل 4). مقاومة كل ضلع ص 0 .
لنرسم خطًا مستقيمًا عبر نقاط الاتصال لكن 1 في 2 (الشكل 7 أ). المقاومات متساوية (الأطوال متساوية - الأضلاع) للأقسام لكن 1 في 1 , لكن 1 لكن 2 ، ومقاومات متساوية (أطوال متساوية - أضلاعه) أقسام في 2 في 1 , في 2 لكن 2. ومن هنا جاءت النقاط في 1 و لكن 2 متناظرة حول خط مستقيم لكن 1 في 2 ولها إمكانات متساوية. تساوي مقاومة المؤامرات لكن 1 لكن 3 و لكن 1 في 4 ، وتساوي مقاومة المؤامرات في 2 لكن 3 و في 2 فيأربعة. لذلك ، فإن النقاط لكن 3 و في 4 لكن 1 متماثل حول خط مستقيم في 2 ولها إمكانات متساوية.
يمكن توصيل النقاط ذات الإمكانات نفسها بالعُقد (الشكل 7 ب). باستخدام الطريقة المتكررة ، يمكن تبسيط الدائرة (الشكل 7 ج أو د).
نقاط لكن 2 و في 4 لديهم إمكانات متساوية، لان 
. يمكن توصيل النقاط ذات الإمكانات نفسها بالعُقد (الشكل 7 هـ). مقاومات في الموقع لكن 1 لكن 2 متصلة بالتوازي ، والمقاومات في المقطع لكن 2 في 2 - بالتوازي وهذه الأقسام متصلة في سلسلة. بالتالي،
أ 
ب 
في 
جي 
د
أرز. 7.
إذا كان من الممكن الجمع بين عقدتين متساويتين ، فإن الانتقال العكسي ممكن أيضًا.
طريقة فصل العقدة: يمكن تقسيم عقدة الدائرة إلى عقدتين أو أكثر إذا كانت العقد الناتجة لها نفس الإمكانات.
والشرط الأساسي لذلك هو التحقق من العقد التي تم الحصول عليها أثناء الفصل من أجل المساواة في الإمكانات (التناظر أو تناسب المقاومات).
مثال 4أوجد مقاومة الدائرة ، وهي إطار من قطع الأسلاك المتطابقة (الشكل 8) ذات المقاومة ص 0 لكل منهما.
أرز. ثمانية.
قسّم العقدة الموجودة في منتصف الإطار إلى عقدتين ا 1 و ا 2 كما هو مبين في الشكل. 9 أ. يمكن القيام بذلك لأن النقاط ا 1 و ا 2 لهما إمكانات متساوية: مؤامرات مقاومة متساوية AO 1 , AO 2 ، وتساوي مقاومة المقاطع بو 1 , بو 2. دعنا نعيد رسم المخطط في شكل قياسي (الشكل 9 ب). باستخدام الطريقة المتكررة ، يمكن تبسيط الدائرة (الشكل 9 ج) ، لأن مقاومة القسم ج 1 F 1 يساوي 
، بصورة مماثلة . ثم المقاومة الكلية للدائرة 
.
مقدمة
يعد حل المشكلات جزءًا لا يتجزأ من تدريس الفيزياء ، حيث أنه في عملية حل المشكلات ، يتم تكوين وإثراء المفاهيم الفيزيائية ، ويتطور التفكير البدني للطلاب وتتحسن مهاراتهم في تطبيق المعرفة في الممارسة.
في سياق حل المشكلات ، يمكن تحديد الأهداف التعليمية التالية وتنفيذها بنجاح:
- اقتراح مشكلة وخلق حالة مشكلة ؛
- تلخيص المعلومات الجديدة ؛
- تكوين المهارات والقدرات العملية ؛
- التحقق من عمق المعرفة وقوتها ؛
- توحيد وتعميم وتكرار المواد ؛
- تنفيذ مبدأ الفنون التطبيقية ؛
- تنمية القدرات الإبداعية لدى الطلاب.
إلى جانب ذلك ، عند حل المشكلات ، يتم تربية أطفال المدارس على الاجتهاد وفضول العقل والإبداع والاستقلالية في الأحكام والاهتمام بالتعلم والإرادة والشخصية والمثابرة في تحقيق الهدف. لتحقيق هذه الأهداف ، من الملائم بشكل خاص استخدام المهام غير التقليدية.
§واحد. مهام لحساب الدوائر الكهربائية DC
وفقًا للمنهج الدراسي ، يتم تخصيص القليل جدًا من الوقت للنظر في هذا الموضوع ، لذلك يتقن الطلاب بشكل أو بآخر طرق حل المشكلات من هذا النوع. ولكن غالبًا ما توجد هذه الأنواع من المهام في مهام الأولمبياد ، لكنها تستند إلى الدورة المدرسية.
تتضمن هذه المهام غير القياسية لحساب الدوائر الكهربائية للتيار المستمر مهامًا تكون مخططاتها:
2) متناظرة.
3) تتكون من مركبات مختلطة معقدة من العناصر.
بشكل عام ، يمكن حساب أي دائرة باستخدام قوانين كيرشوف. ومع ذلك ، لم يتم تضمين هذه القوانين في المناهج الدراسية. بالإضافة إلى ذلك ، لا يمكن للعديد من الطلاب حل نظام من عدد كبير من المعادلات مع العديد من المجهول بشكل صحيح ، وهذه الطريقة ليست أفضل طريقة لإضاعة الوقت. لذلك ، يجب أن تكون قادرًا على استخدام الطرق التي تتيح لك العثور بسرعة على المقاومة والسعة للدوائر.
§2. طريقة الدائرة المكافئة
تتمثل طريقة الدوائر المكافئة في أنه يجب تقديم الدائرة الأصلية في شكل أقسام متسلسلة ، ترتبط كل منها عناصر الدائرة إما في سلسلة أو على التوازي. لمثل هذا التمثيل ، يجب تبسيط المخطط. في إطار تبسيط الدائرة ، سوف نفهم اتصال أو فصل أي عقد في الدائرة ، وإزالة أو إضافة المقاومات والمكثفات ، مما يضمن أن الدائرة الجديدة للسلسلة والعناصر المتصلة المتوازية تعادل الدائرة الأصلية.
الدائرة المكافئة هي دائرة عندما يتم تطبيق نفس الفولتية على الدوائر الأصلية والمحولة ، فإن التيار في كلتا الدائرتين سيكون هو نفسه في الأقسام المقابلة. في هذه الحالة ، يتم إجراء جميع الحسابات باستخدام المخطط المحول.
يمكن استخدام عدة حيل لرسم دائرة مكافئة لدائرة ذات اتصال معقد مختلط من المقاوم. سنقتصر على التفكير بالتفصيل في واحدة منها فقط - طريقة العقدة متساوية الجهد.
تكمن هذه الطريقة في حقيقة أن النقاط ذات الإمكانات المتساوية توجد في الدوائر المتماثلة. ترتبط هذه العقد ببعضها البعض ، وإذا تم توصيل جزء من الدائرة بين هذه النقاط ، فيتم تجاهلها ، نظرًا لتكافؤ الإمكانات في النهايات ، لا يتدفق التيار خلالها ولا يؤثر هذا القسم المقاومة الكلية للدائرة.
وبالتالي ، فإن استبدال عدة عقد ذات إمكانات متساوية يؤدي إلى دائرة مكافئة أبسط. لكن في بعض الأحيان يكون من الأنسب استبدال عقدة واحدة بشكل عكسي
عدة عقد ذات إمكانات متساوية ، والتي لا تنتهك الظروف الكهربائية في البقية.
ضع في اعتبارك أمثلة لحل المشكلات بهذه الطرق.
نظرًا لتماثل فروع السلسلة ، فإن النقطتين C و D متساويتان في الجهد. لذلك ، يمكننا استبعاد المقاوم بينهما. نقوم بتوصيل النقاط متساوية الجهد C و D في عقدة واحدة. نحصل على دارة مكافئة بسيطة للغاية:
مقاومته:
RAB = Rac + Rcd = r * r / r * r + r * r / r + r = r.
المهمة رقم 2
عند النقطتين F و F` ، تكون الإمكانات متساوية ، مما يعني أنه يمكن التخلص من المقاومة بينهما. تبدو الدائرة المكافئة كما يلي:
مقاومات القسم DNB ؛ F`C`D` ؛ D` ، N` ، B` ؛ FCD متساوية مع بعضها البعض وتساوي R1:
1 / R1 = 1 / 2r + 1 / r = 3 / 2r
مع وضع هذا في الاعتبار ، يتم الحصول على دائرة مكافئة جديدة:
مقاومتها ومقاومة الدائرة الأصلية RAB تساوي:
1 / RAB = 1 / ص + R1 + R1 + 1 / ص + R1 + R1 = 6/7 ص
المهمة رقم 3.
النقطتان C و D لهما إمكانات متساوية. الاستثناء هو المقاومة بينهما. نحصل على الدائرة المكافئة:
المقاومة المطلوبة RAB تساوي:
1 / RAB = 1 / 2r + 1 / 2r + 1 / r = 2 / r
المهمة رقم 4.
كما يتضح من الرسم البياني ، فإن العقد 1،2،3 لها إمكانات متساوية. دعنا نربطهم بالعقدة 1. تحتوي العقد 4،5،6 أيضًا على إمكانات متساوية - دعنا نربطها بالعقدة 2. نحصل على الدائرة المكافئة التالية:
المقاومة في القسم A-1 ، R 1 تساوي المقاومة في القسم 2-B ، R3 وتساوي:
المقاومة في القسم 1-2 هي: R2 = r / 6.
الآن نحصل على الدائرة المكافئة:
المقاومة الكلية RAB هي:
RAB \ u003d R1 + R2 + R3 \ u003d (5/6) * ص.
المهمة رقم 5.
النقاط C و F. دعنا نربطهم في عقدة واحدة. ثم ستبدو الدائرة المكافئة كما يلي:
مقاومة قسم التيار المتردد:
المقاومة في القسم FN:
المقاومة في القسم DB:
اتضح أن الدائرة المكافئة:
المقاومة الإجمالية المطلوبة تساوي:
المهمة رقم 6
دعونا نستبدل العقدة المشتركة O بثلاث عقد ذات إمكانات متساوية O ، O 1 ، O 2. نحصل على النظام المكافئ:
المقاومة في القسم ABCD:
المقاومة في القسم A`B`C`D`:
المقاومة في قسم ACB
نحصل على الدائرة المكافئة:
المقاومة الكلية المطلوبة للدائرة R AB هي:
R AB = (8/10) * ص.
رقم المهمة 7.
دعونا "نقسم" العقدة O إلى زاويتين متساويتين الجهد O 1 و O 2. يمكن الآن تمثيل الدائرة كاتصال متوازي لدائرتين متطابقتين. لذلك يكفي النظر في إحداها بالتفصيل:
مقاومة هذه الدائرة R 1 هي:
ثم ستكون مقاومة الدائرة بأكملها مساوية لـ:
المهمة رقم 8
العقدان 1 و 2 متساويتان في الجهد ، لذلك دعونا نربطهما في عقدة واحدة 1. العقدتان 3 و 4 متساويتان أيضًا - متصلتان بعقدة أخرى II. تبدو الدائرة المكافئة كما يلي:
المقاومة في القسم A-I تساوي المقاومة في القسم B-II وتساوي:
مقاومة القسم I-5-6-II هي:
مقاومة القسم الأول والثاني تساوي:
نحصل على الدائرة المكافئة النهائية:
المقاومة الكلية المطلوبة للدائرة R AB \ u003d (7/12) * r.
المهمة رقم 9
في فرع نظام التشغيل ، نقوم باستبدال المقاومة بمقاومتين متصلتين بشكل متوازي بمقدار 2r لكل منهما. يمكن الآن تقسيم العقدة C إلى عقدتين متساويتين الجهد C 1 و C 2. تبدو الدائرة المكافئة في هذه الحالة كما يلي:
المقاومة في القسمين OS I B و DC II B متساوية ومتساوية ، حيث يسهل حساب 2r. مرة أخرى نرسم الدائرة المكافئة المقابلة:
المقاومة في قسم AOB تساوي المقاومة في قسم ADB وتساوي (7/4) * r. وبالتالي ، نحصل على الدائرة المكافئة النهائية لثلاثة مقاومات متصلة بالتوازي:
مقاومتها الكلية هي R AB = (7/15) * r
المهمة رقم 10
نقاط COD لها إمكانات متساوية - دعنا نربطها في عقدة واحدة O أناالدائرة المكافئة موضحة في الشكل:
المقاومة في القسم أ أنايساوي. في القسم يا أناالمقاومة تساوي. نحصل على دارة مكافئة بسيطة للغاية:
مقاومة ITS تساوي المقاومة الإجمالية المطلوبة
تم حل المشكلات رقم 11 ورقم 12 بطريقة مختلفة قليلاً عن السابقة. في المشكلة 11 ، يتم استخدام خاصية خاصة للسلاسل اللانهائية لحلها ، وفي المشكلة 12 ، يتم استخدام طريقة تبسيط السلسلة.
رقم المهمة 11
دعونا نفرد رابط التكرار اللانهائي في هذه السلسلة ؛ في هذه الحالة ، يتكون من المقاومات الثلاثة الأولى. إذا تجاهلنا هذا الارتباط ، فلن تتغير المقاومة الكلية للدائرة اللانهائية R من هذا ، حيث ستظهر نفس الدائرة اللانهائية بالضبط. أيضًا ، لن يتغير شيء إذا قمنا بتوصيل الرابط المحدد مرة أخرى بالمقاومة اللانهائية R ، ولكن تجدر الإشارة إلى أن جزءًا من الارتباط والدائرة اللانهائية بالمقاومة R متصلان بالتوازي. وهكذا نحصل على الدائرة المكافئة:
اتضح المعادلات
لحل نظام هذه المعادلات ، نحصل على:
§3. تعلم حل مشاكل حساب الدوائر الكهربائية بطريقة العقد متساوية الجهد
المهمة هي مشكلة يحتاج فيها الطالب إلى التفكير المنطقي والاستدلال. مبني على أساس قوانين وأساليب الفيزياء. وبالتالي ، بمساعدة المهام ، يتم تنشيط التفكير الهادف للطلاب.
في نفس الوقت. يمكن اعتبار المعرفة النظرية مكتسبة فقط عندما يتم تطبيقها بنجاح في الممارسة العملية. تصف المشكلات في الفيزياء المشكلات التي غالبًا ما يتم مواجهتها في الحياة والعمل ، والتي يمكن حلها باستخدام قوانين الفيزياء ، وإذا نجح الطالب في حل المشكلات ، فيمكننا القول إنه يعرف الفيزياء جيدًا.
لكي يتمكن الطلاب من حل المشكلات بنجاح ، لا يكفي وجود مجموعة من الأساليب والأساليب لحل المشكلات ، بل من الضروري أيضًا تعليم تلاميذ المدارس كيفية استخدام هذه الأساليب على وجه التحديد.
ضع في اعتبارك خطة لحل مشاكل حساب الدوائر الكهربائية للتيار المستمر عن طريق طريقة العقد متساوية الجهد.
- شروط القراءة.
- بيان موجز عن الحالة.
- قم بالتحويل إلى وحدات SI.
- تحليل الدائرة:
- تحديد ما إذا كانت الدائرة متناظرة ؛
- تعيين نقاط ذات إمكانات متساوية ؛
- اختر ما هو أكثر ملاءمة للقيام به - ربط النقاط ذات الإمكانات المتساوية أو ، على العكس من ذلك ، قسّم نقطة واحدة إلى عدة نقاط ذات إمكانات متساوية ؛
- ارسم دائرة مكافئة
- العثور على أقسام ذات اتصال تسلسلي أو متوازي فقط وحساب المقاومة الإجمالية في كل قسم وفقًا لقوانين السلسلة والتوصيل المتوازي ؛
- رسم دائرة مكافئة ، واستبدال الأقسام بمقاومات التصميم المقابلة لها ؛
- كرر الخطوتين 5 و 6 حتى تبقى مقاومة واحدة ، والتي ستكون قيمتها هي الحل للمشكلة.
- تحليل حقيقة الجواب.
تعرف على المزيد حول تحليل المخطط
أ) تحديد ما إذا كانت الدائرة متناظرة.
تعريف. تكون الدائرة متناظرة إذا كان نصفها صورة معكوسة للآخر. علاوة على ذلك ، يجب ألا يكون التناظر هندسيًا فحسب ، بل يجب أيضًا أن تكون القيم العددية للمقاومات أو المكثفات متماثلة.
الدائرة متناظرة ، لأن فرعي ASV و ADV متماثلان هندسيًا ونسبة المقاومة في قسم واحد AS: AD = 1: 1 هي نفسها كما في القسم الآخر SD: DV = 1: 1.
الدائرة متناظرة ، لأن نسبة المقاومة في القسم AS: AD = 1: 1 هي نفسها كما في القسم الآخر SV: DV = 3: 3 = 1: 1
الدائرة غير متناظرة ، لأن نسب المقاومة عدديًا
غير متماثل -1: 2 و 1: 1.
ب) إنشاء نقاط ذات إمكانات متساوية.
من اعتبارات التناظر ، نستنتج أن الإمكانات متساوية عند نقاط متماثلة. في هذه الحالة ، تكون النقاط المتماثلة هي النقطتان C و D. وبالتالي ، فإن النقطتين C و D هما نقطتان متساويتان في الجهد.
ج) اختر ما هو ملائم للقيام به - قم بتوصيل نقاط ذات إمكانات متساوية أو ، على العكس ، قسّم نقطة واحدة إلى عدة نقاط ذات إمكانات متساوية.
نرى في هذا المثال أن المقاومة متضمنة بين نقاط ذات إمكانات متساوية C و D ، والتي من خلالها لن يتدفق أي تيار. لذلك ، يمكننا تجاهل هذه المقاومة ، وربط النقطتين C و D في عقدة واحدة.
د) ارسم دائرة مكافئة.
نرسم دائرة مكافئة. في هذه الحالة ، نحصل على مخطط بنقطتين C و D متصلتين عند نقطة واحدة.
هـ) ابحث عن أقسام ذات اتصال تسلسلي أو متوازي فقط وحساب المقاومة الإجمالية في كل قسم وفقًا لقوانين التوصيل المتسلسل والتوازي.
من الدائرة المكافئة الناتجة ، يمكن ملاحظة أنه في قسم التيار المتردد لدينا مقاومتان متصلتان بالتوازي. تم العثور على مقاومتهم الكلية وفقًا لقانون الاتصال الموازي:
1 / Rtot = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3 + ...
وهكذا 1 / RAC = 1 / r + 1 / r = 2 / r ، حيث RAC = r / 2.
في قسم NE ، الصورة مشابهة:
1 / RCB = 1 / r + 1 / r = 2 / r ، حيث RCB = r / 2.
ه) رسم دائرة مكافئة ، واستبدال الأقسام بمقاومات التصميم المقابلة لها.
نرسم دائرة مكافئة عن طريق استبدال المقاومات المحسوبة لأقسام RAC و RCB فيها:
ز) النقاط هـ) و و) كرر حتى تبقى مقاومة واحدة ، ستكون قيمتها هي الحل للمشكلة.
نكرر الفقرة ه): في القسم AB لدينا مقاومان متصلان على التوالي. تم العثور على مقاومتهم الكلية وفقًا لقانون الاتصال التسلسلي:
Rtot = R1 + R2 + R3 + ... أي RAB = RAC + RCB = r / 2 + r / 2 = 2r / 2 = r.
نكرر الفقرة ه): ارسم دائرة مكافئة:
حصلنا على دارة بمقاومة واحدة قيمتها تساوي مقاومة الدائرة الأصلية. وهكذا ، حصلنا على الإجابة RAB = r.
المؤلفات
- بلاش. V.A. مشاكل في الفيزياء وطرق حلها. - م: التنوير 1983.
- Lukashik V. أولمبياد الفيزياء - م: التربية 2007
- أوسوفا إيه في ، بوبروف أ. تكوين المهارات والقدرات التربوية لدى الطلاب في دروس الفيزياء - م: التربية ، 1988
- خطت أ. طرق حساب الدوائر المكافئة // Kvant.
- Chertov A. G. كتاب مهمة في الفيزياء. - م: المدرسة العليا 1983
- Ziyatdinov Sh.G.، Solovyanyuk S.G. (إرشادات) بيرسك ، 1994
- مارون إيه ، مارون إ. الفيزياء. المواد التعليمية. موسكو ، "دروفا" ، 2004