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        直流電路中電阻的U-I特性曲線再探討

        2007-12-31 00:00:00
        物理教學探討 2007年20期

        1 正確的認識與錯誤的“直覺”:

        1.1 正確認識:

        如圖A所示的U-I曲線的斜率(任一點切線的斜率)表示對應(yīng)的電阻的阻值。

        1.2 錯誤的“直覺”:

        認為B,C兩圖中曲線上某一點的切線的斜率也表示對應(yīng)的電阻。

        1.3 原因簡析:

        筆者通過比較右側(cè)5幅圖像初步推測,產(chǎn)生這種錯誤“直覺”的原因是簡單的將S-t圖像等有類似規(guī)律及關(guān)系的圖形與U-I圖像進行了類比。錯誤的認為適用于S-t圖像的規(guī)律同樣適用于U-I圖像。

        2 從數(shù)學和物理含義兩個角度的探討:

        2.1 S-t圖像中的平均速度與瞬時速度:

        物理學中對速度的定義式V=S/t,若所研究的內(nèi)容是與一段時間相對應(yīng)的,則對應(yīng)的速度為平均速度;若所研究的內(nèi)容是與某時刻相對應(yīng),則對應(yīng)的速度為瞬時速度。如圖(a)所示,表示質(zhì)點作勻速直線運動,平均速度與瞬時速度相等;而對于圖(b),表示質(zhì)點作變加速(直線)運動,切線表示某時刻的瞬時速度,而對應(yīng)點與坐標原點連線即割線的斜率則表示平均速度,很顯然,圖像圖像表示的瞬時速度大于平均速度。

        由右側(cè)圖A可以得知該圖所表示的是一個定值電阻的U-I圖像,C圖所表示的是阻值變化的電阻的U-I圖像。顯然,A圖中U-I線的斜率(切線的斜率)可以表示電阻的阻值;但在C圖中根據(jù)R=UI表示電阻的是與坐標原點連線的斜率,既割線的斜率。對于彎曲的U-I圖像,圖像上某點的切線的斜率并不能用來表示導體的電阻值。

        2.3 彎曲的U-I圖像成因分析:

        由R=ρL/S知,決定電阻的因素是材料的電阻率ρ,導體的長度L和導體的橫截面積S,而一般情形下,L和S的長度變化可以先不考慮,影響導體電阻變化的最為重要的因素就是材料的電阻率ρ。當電阻接入電路中通電時,由于電流做功,電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,使導體的溫度升高,通常的材料的ρ值會隨溫度的升高而變大(個別也有反向變化的),這樣會導致導體的電阻值增大,表現(xiàn)在U-I圖像上就是一條彎曲的線。

        2.4 切線的斜率的奧秘:

        3 結(jié)論

        (1)對于U-I圖像,僅在為直線時其切線(直線的切線是其本身)的斜率才表示其電阻值。

        (2)對于U-I圖像為曲線時,某點與坐標原點的連線(割線)的斜率表示導體的電阻值。而某點切線的斜率K與割線的斜率(電阻值R)的比較時,有明確的物理含義:當K>R時,導體的電阻在增大(電阻率ρ與溫度正相關(guān)變化);當K

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