林東檳

（廣東省普寧市城東中學(xué)，廣東 普寧 515300）

縱觀近10年的高考物理試題，電路動(dòng)態(tài)變化及故障排除是高考中的熱點(diǎn)之一，年年都有考題出現(xiàn).電路動(dòng)態(tài)變化就是指通過移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片，或者通過開關(guān)閉合或斷開，改變電路結(jié)構(gòu)，使局部電路發(fā)生變化，引起整體電路的變化，而整體電路的變化反過來又會(huì)影響局部的變化.電路故障排除是指通過電路動(dòng)態(tài)變化定性分析用電器或電表的異常，從而判斷電路的故障所在.解決這類問題通常是“局部→整體→局部”進(jìn)行理論分析，即根據(jù)閉合（或部分）電路歐姆定律、串并聯(lián)電路的特點(diǎn)和電功、電功率等知識(shí)綜合分析局部電阻的變化導(dǎo)致閉合電路總電流的變化，進(jìn)而分析電路中其它用電器（含電表）的電流、電壓、電功率的變化情況.如果對(duì)于電路動(dòng)態(tài)變化只需作定性的分析，利用理論分析將使過程繁瑣，解題速度慢（通常需要幾分鐘），而且運(yùn)用的知識(shí)多，學(xué)生稍不注意就會(huì)出錯(cuò).下面將筆者在教學(xué)實(shí)踐中總結(jié)出解決電路動(dòng)態(tài)變化及故障排除的濃縮分析思維過程的一種方法——“串反并同”規(guī)律及應(yīng)用供同行參考.

1 “串反并同”規(guī)律的由來

圖1

例1.（2010年上海高考）在圖1示的閉合電路中，當(dāng)滑片P向右移動(dòng)時(shí)，兩電表讀數(shù)的變化是

（A）電流表變大，電壓表變大.

（B）電流表變小，電壓表變大.

（C）電流表變大，電壓表變小.

（D）電流表變小，電壓表變小.

從分析中得出：R阻值變大，與R串聯(lián)的電流表示數(shù)、R0的電流、電壓電功率都變小，與R并聯(lián)的電壓表示數(shù)、路端電壓都變大，由此得出“串反并同”的規(guī)律.

2 “串反并同”規(guī)律的內(nèi)容

在電源的內(nèi)阻不為零的純電阻電路中，當(dāng)電路中某一元件（用電器或電表）的電學(xué)參量（電阻、電壓、電流、電功率）單調(diào)增大（減?。r(shí)，與之串聯(lián)的其它元件（用電器或電表）的各個(gè)電學(xué)參量（電壓、電流、電功率）均減小（增大），也就是所說的“串反”；與之并聯(lián)的其他元件（用電器或電表）的各個(gè)電學(xué)參量（電壓、電流、電功率）均增大（減?。?，也就是所說的“并同”.

3 “串反并同”規(guī)律的成立條件

4 “串反并同”規(guī)律快速應(yīng)用的技巧——“元源串聯(lián)”

“串反并同”規(guī)律在應(yīng)用的過程中，判斷其他元件與變化元件間的連接方式（串聯(lián)還是并聯(lián)）是解題的關(guān)鍵，這也是影響解題速度的重要因素.在較為復(fù)雜的電路中，通常做法是畫出對(duì)應(yīng)的等效電路圖，再運(yùn)用規(guī)律解題.這種做法費(fèi)時(shí)且易錯(cuò)率高，筆者采用“元源串聯(lián)”技巧，即在原電路圖中畫出通過變化元件和電源的所有回路，在回路上的所有元件均與變化元件是串聯(lián)方式連接，不在回路上的元件則為并聯(lián)方式連接，從而快而準(zhǔn)應(yīng)用規(guī)律完成解答.

例2.如圖2所示的電路中，電壓表和電流表對(duì)電路的影響不計(jì)，當(dāng)R3的滑片上移些，則

圖2

（A）電流表A示數(shù)減小. （B）電壓表V1示數(shù)減小.

（C）電壓表V2示數(shù)增大.（D）通過R2的電流增大.

分析：當(dāng)R3的滑片上移些，其有效電阻變大，圖3是對(duì)應(yīng)的等效電路圖，圖4則是在原電路圖中直接運(yùn)用“元源串聯(lián)”技巧，畫出通過R3和電源的回路（圖4中加粗部分的電路），即可直觀判斷與R3串聯(lián)的元件有電流表A、R1、電壓表V2，其電流（或電壓、電功率）均變小，與R3并聯(lián)的元件有R2、電壓表V1、V3，其電流（或電壓、電功率）均變大，正確答案為（A）、（D）.

圖3

圖4

例2中運(yùn)用“元源串聯(lián)”技巧快速應(yīng)用“串反并同”規(guī)律，解題速度從幾分鐘提高到10幾秒即可準(zhǔn)確作答，是用等效電路圖來解無法比擬的.

5 “串反并同”規(guī)律的應(yīng)用

（1）改變滑動(dòng)變阻器滑片位置引起的電路動(dòng)態(tài)變化

滑動(dòng)變阻器滑片位置改變時(shí)，其接入電路的有效電阻也隨之改變，從而引起電路動(dòng)態(tài)變化.

圖5

例3.（2011年北京理綜卷）如圖5所示電路，電源內(nèi)阻不可忽略.開關(guān)S閉合后，在變阻器R0的滑動(dòng)端向下滑動(dòng)的過程中

（A）電壓表與電流表的示數(shù)都減小.

（B）電壓表與電流表的示數(shù)都增大.

（C）電壓表的示數(shù)增大，電流表的示數(shù)減小.

（D）電壓表的示數(shù)減小，電流表的示數(shù)增大.

分析：結(jié)合“元源串聯(lián)”技巧運(yùn)用“串反并同”規(guī)律分析可知：當(dāng)變阻器R0滑片下滑過程中，其有效電阻變小，R1與R0串聯(lián)，其電流、電壓、電功率將變大，V、A、R2與R0并聯(lián)，其電流、電壓、電功率均將變小，故正確答案為（A）.

例4.如圖6（甲）所示，電源電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)電阻為r.兩電壓表可看作是理想電表，當(dāng)閉合開關(guān)、將滑動(dòng)變阻器的滑片從左端滑到右端時(shí)，下列說法中正確的是

圖6

（A）小燈泡L1、L2均變暗.

（B）小燈泡L1變亮，V1表的讀數(shù)變大.

（C）小燈泡L2變暗，V2表的讀數(shù)變大.

（D）小燈泡L2變暗，V2表的讀數(shù)變小.

分析：結(jié)合“元源串聯(lián)”技巧（［如圖6（乙）］加粗部分電路所示），無需畫出等效電路圖也可直接運(yùn)用“串反并同”規(guī)律分析：當(dāng)滑動(dòng)變阻器R滑片右移，其有效阻值變大，從圖6（乙）所示加粗部分的電路可知，與R串聯(lián)的元件有L2、V2，其電流、電壓、電功率均將變小，L2變暗；與R并聯(lián)的元件有L1、V1，其電流、電壓、電功率均將變大，L1變亮，故正確答案為（B）、（D）.

（2）半導(dǎo)體材料元件阻值變化引起的電路動(dòng)態(tài)變化

電路連接有如熱敏電阻、壓敏電阻、光敏電阻等半導(dǎo)體材料元件當(dāng)外界物理?xiàng)l件變化引起其阻值變化，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)電路動(dòng)態(tài)變化，這類問題的關(guān)鍵點(diǎn)是判斷該元件的阻值隨外界條件如何變化，再運(yùn)用“串反并同”規(guī)律解題.

例5.圖7（甲）是一火警報(bào)警器的部分電路示意圖，其中R2為半導(dǎo)體熱敏材料制成的傳感器，其電阻R2隨溫度T變化的圖線如圖7（乙）所示.電流表為值班室的顯示器，a、b之間接報(bào)警器.當(dāng)傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時(shí)，顯示器的電流I和報(bào)警器兩端的電壓U的變化情況是

圖7

（A）I變大，U 變大. （B）I變大，U 變小.

（C）I變小，U 變大. （D）I變小，U 變小.

分析：當(dāng)傳感器R2所在處出現(xiàn)火情時(shí)，由（乙）圖圖線可知，傳感器R2的電阻隨溫度升高而減小，與R2串聯(lián)的元件有R1，與R2并聯(lián)的元件有R3、U（相當(dāng)于在ab端接了電壓表），由“串反并同”規(guī)律可知，I、U 均變小，故選擇（D）.

（3）開關(guān)閉合或斷開引起的電路動(dòng)態(tài)變化

在閉合電路中，支路上的開關(guān)閉合或斷開，將使電路連接結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而引起電路動(dòng)態(tài)變化.該支路若是含電容電路，其僅在充放電過程才有電流，充放電結(jié)束后可視該支路為開路，整個(gè)閉合電路視為無變化；該支路若是未含電容電路，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)視該支路電阻從無窮大減小為某一阻值，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)則視該支路電阻從某一阻值增大到無窮大，視為單一元件單調(diào)變化（遞增或遞減），運(yùn)用“串反并同”規(guī)律求解.

圖8

例6.（2011年海南高考）如圖8，E為內(nèi)阻不能忽略的電池，R1、R2、R3為定值電阻，S0、S為開關(guān)，V與 A分別為電壓表與電流表.初始時(shí)S0與S均閉合，現(xiàn)將S斷開，則

（A）電壓表的讀數(shù)變大，電流表的讀數(shù)變小.

（B）電壓表的讀數(shù)變大，電流表的讀數(shù)變大.

（C）電壓表的讀數(shù)變小，電流表的讀數(shù)變小.

（D）電壓表的讀數(shù)變小，電流表的讀數(shù)變大.

分析：開關(guān)S閉合時(shí)，R2所在支路電阻為R2，當(dāng)開關(guān)S斷開后，視該支路阻值由R2增大為無窮大，與R2串聯(lián)的元件有R1，與R2并聯(lián)的元件有R3、電流表、電壓表，由“串反并同”規(guī)律可知，電流表、電壓表讀數(shù)均變大，所以（B）選項(xiàng)正確.

6 “串反并同”規(guī)律在電路故障排除中的應(yīng)用

電路的故障主要是用電器損壞、斷路、短路、接觸不良或絕緣破壞等，而更多的電路故障都是判斷是短路還是斷路、發(fā)生在什么地方.當(dāng)電路發(fā)生短路時(shí)，該段電路的總電阻變?yōu)榱?，相?dāng)于其阻值變??；而當(dāng)電路發(fā)生斷路時(shí)，該段電路的阻值變?yōu)闊o窮大，相當(dāng)于其阻值變大，導(dǎo)致其它用電器或電表的各個(gè)參量發(fā)生異常.而我們就可以根據(jù)用電器或電表的異常，運(yùn)用“串反并同”規(guī)律分析電路故障問題，就顯得很簡(jiǎn)捷.

圖9

例7.如圖9所示的電路中，燈泡A和燈泡B原來都是正常發(fā)光的.現(xiàn)在突然發(fā)現(xiàn)燈泡A比原來變暗了些，燈泡B比原來變亮了些，則電路中出現(xiàn)的故障可能是

（A）R3斷路.

（B）R1短路.

（C）R2斷路.

（D）R1、R2同時(shí)短路.

分析：從燈泡A、B出現(xiàn)的異常，先運(yùn)用“串反并同”規(guī)律分別判斷與其串聯(lián)、并聯(lián)的元件可能的變化情況，再找出同樣變化的元件即為發(fā)生故障的元件.若判斷該元件阻值變大則故障為斷路，阻值變小則故障為短路.判斷過程如下：

我們不難發(fā)現(xiàn)：只有R2變化情況一致（變大），所以故障為R2斷路，答案選擇（C）選項(xiàng).

7 “串反并同”規(guī)律的局限性

由于“串反并同”規(guī)律成立必須滿足以下條件：?jiǎn)我辉妼W(xué)參量單調(diào)變化（遞增或遞減）且電源內(nèi)阻不為零的純電阻閉合電路.如果題目不滿足條件時(shí)，可做以下處理.

（1）若電源內(nèi)阻為零，則僅是路端電壓U＝E保持不變，其他元件變化依舊可以用“串反并同”規(guī)律判斷.

圖10

例8.（2009年廣東物理高考）如圖10所示，電動(dòng)勢(shì)為E、內(nèi)阻不計(jì)的電源與3個(gè)燈泡和3個(gè)電阻相接.只合上開關(guān)S1，3燈都能正常工作.如果再合上S2，則下列表述正確的是：

（A）電源輸出功率減小.

（B）L1上消耗的功率增大.

（C）通過R1上的電流增大.

（D）通過R3上的電流增大.

分析：路端電壓U＝E保持不變，當(dāng)S2由斷開到閉合，相當(dāng)于R2的電阻由無窮大變小為R2，與R2串聯(lián)的元件有R1，并聯(lián)的元件有L1、L2、L3、R3，由“串反并同”規(guī)律可知，R1的電流、電壓、電功率均變大，電源輸出功率也變大，L1、L2、L3、R3的電流、電壓、電功率均變小，故答案為（C）.

（2）單一元件電學(xué)參量不滿足單調(diào)變化，出現(xiàn)先變大后變小或先變小后變大情況時(shí)，只能用理論分析來判斷.

圖11

例9.（2011年上海物理高考）如圖11所示電路中，閉合電鍵S，當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭P從最高端向下滑動(dòng)時(shí)：

（A）電壓表V讀數(shù)先變大后變小，電流表A讀數(shù)變大.

（B）電壓表V讀數(shù)先變小后變大，電流表A讀數(shù)變小.

（C）電壓表V讀數(shù)先變大后變小，電流表A讀數(shù)先變小后變大.

（D）電壓表V讀數(shù)先變小后變大，電流表A讀數(shù)先變大后變小.

分析：當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭P從最高端向下滑動(dòng)時(shí)，它等效成上、下兩部分電阻，上部分電阻增大，下部分電阻減小，就不能用“串反并同”規(guī)律分析電路中電流的變化情況.本題只能用理論進(jìn)行分析：外電路電阻先增大后減小，路端電壓先變大后變小，電壓表讀數(shù)先變大后變小，電流表讀數(shù)變大，故答案選擇（A）.

總之，對(duì)于電路中的種種規(guī)律，只有我們?cè)诮鉀Q問題的過程中，不斷總結(jié)不斷積累，從而將其運(yùn)用到實(shí)踐中去，就能獲得各種解決問題的最佳途徑.希望“串反并同”規(guī)律能給同行解決電學(xué)的問題帶來方便.