含電動機(jī)的電路求解分析

摘 要：在學(xué)習(xí)過程中，含有電動機(jī)等非純電阻電路是電學(xué)部分學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，很多學(xué)生對概念混淆不清，思路不明確，導(dǎo)致求解錯誤。正確分析識別純電阻與非純電阻電路，是解決含電動機(jī)類電路問題的關(guān)鍵，也是分析問題能力與解決問題能力的重要體現(xiàn)。而實(shí)驗(yàn)探究的感性認(rèn)識與具體事例的分析，可以幫助學(xué)生更深入地了解和分析解決電路中出現(xiàn)的各種問題。

關(guān)鍵詞：電動機(jī)；純電阻與非純電阻；電路分析

在直流電路中，通過電阻的電流產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化是能量計(jì)算的重點(diǎn)知識，但由于不能夠正確區(qū)分純電阻與非純電阻，導(dǎo)致求解中出現(xiàn)問題，特別含有電動機(jī)的相關(guān)計(jì)算。下面以電動機(jī)為例，來解決純電阻與非純電阻應(yīng)用中的區(qū)別與聯(lián)系。

一、過程再現(xiàn)及分析

含有電動機(jī)電路，有電流通過電動機(jī)時，線圈消耗電能，產(chǎn)生其他形式能量（內(nèi)能、機(jī)械能等），該能量轉(zhuǎn)化過程為電流做功的過程，即消耗電功W=UIt，電流通過線圈產(chǎn)生的焦耳熱Q=I2Rt，那么，兩者之間有何關(guān)系呢？

解決方案：假如Q=W，則UIt=I2Rt，推導(dǎo)出I=，即歐姆定律，而歐姆定律是需在純電阻情況下才成立的。

分析：根據(jù)歐姆定律的適用條件，電流通過電阻產(chǎn)生的電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，即電功等于電熱，此時由歐姆定律適用的電路叫做純電阻電路；歐姆定律不適用的電路叫做非純電阻電路。

問題設(shè)計(jì)1：電機(jī)在受阻不轉(zhuǎn)動的情況下，電壓、電流和電阻的存在的何種關(guān)系，消耗的電能和產(chǎn)生的電熱有何關(guān)系？

問題設(shè)計(jì)2：電動機(jī)在轉(zhuǎn)動的狀態(tài)下，電壓、電流和電阻的關(guān)系有何特點(diǎn)，消耗的電能和產(chǎn)生的電熱有何關(guān)系？

問題設(shè)計(jì)意圖：明確辨別純電阻電路與非純電阻電路。

問題設(shè)計(jì)3：進(jìn)一步探究電機(jī)在受阻不轉(zhuǎn)動的情況下，電壓、電流和熱功率、總功率的有何關(guān)系？

探究結(jié)果：在純電阻電路中，熱功率在總功率中所占比重大，純電阻電路產(chǎn)生的電熱近似等于消耗的電功，即W=Q。

問題設(shè)計(jì)4：探究電動機(jī)在正常轉(zhuǎn)動的情況下，電壓、電流和熱功率、總功率之間有何關(guān)系？

探究結(jié)果：在非純電阻電路中，熱功率在總功率中所占比重小。根據(jù)能量守恒，W=E+Q，即電動機(jī)消耗的電能等于產(chǎn)生的機(jī)械能及產(chǎn)生的熱量的總和。

二、例題分析

工地經(jīng)常用電動機(jī)提升重物，其裝置如圖所示，電動機(jī)兩端電壓為5V，電路中的電流為1A，物體A重20N，電動機(jī)線圈的電阻為r=1Ω。求：

（1）電動機(jī)正常工作時，線圈電阻消耗的熱功率為多少？

（2）電動機(jī)正常工作時，電動機(jī)輸入功率和輸出功率各是多少？

（3）如果接上電源后，線圈被卡住，不能轉(zhuǎn)動，這時通過電動機(jī)的電流，以及電動機(jī)消耗的電功率和發(fā)熱功率是多少？

解析：電動機(jī)正常工作時，其電路為非純電阻電路，其中消耗的電功率一部分轉(zhuǎn)化為線圈的熱功率，另一部分轉(zhuǎn)化為電動機(jī)的機(jī)械功率。

（1）電動機(jī)線圈上消耗的熱功率為

P熱=I2r=12×1W。

（2）電動機(jī)的輸入功率為消耗的電功率

P入=UI=5×1W=5W

電動機(jī)的輸出功率

P出=P入-P熱=5W-1W=4W。

（3）線圈被卡住后電動機(jī)不轉(zhuǎn)時可視為純電阻，通過電動機(jī)的電流

I==5A

電動機(jī)消耗的電功率

P=UI=5×5W=25W

電動機(jī)發(fā)熱功率

P內(nèi)=I2R=52×1W=25W

小結(jié)：由例題中不難看出U、R、P三個物理量的數(shù)值并不滿足歐姆定律，而根據(jù)對電路能量轉(zhuǎn)化分析，解決有關(guān)純電阻電路和非純電阻電路的問題，就比較清楚了。

從上面的實(shí)驗(yàn)探究與例題可見，含有電動機(jī)工作過程中的能量的計(jì)算，關(guān)鍵是要正確區(qū)分是純電阻還是非純電阻電路，其能量關(guān)系是：電流通過非純電阻時，E總=Q熱+E其他；電流通過純電阻時，E總=Q熱。

參考文獻(xiàn)：

黃海平，黃鑫.實(shí)用電動機(jī)控制電路動作過程分析詳解[M].北京：科學(xué)出版社，2011-03.

作者簡介：陳愛兵，男，1974年10月出生，本科，江蘇省灌云縣四隊(duì)中學(xué)，研究方向：物理教學(xué)。