動態(tài)電路計算中,滑動變阻器出演主角。特別是受電表量程或燈泡額定電流、電壓限制時,求變阻器的取值問題,很多學生缺乏對電路的整體感知,想把電路局部來分析卻又分析不出頭緒,顧頭顧不著腳。解決此類問題,可從三步著手。
電路限流限壓一、弄清電路中哪些元件需限流、限壓,并弄清這些元件所限流、限壓得范圍
在初中階段常見的電路中限流、限壓元件有:標有字樣的定值電阻、滑動變阻器、燈泡,已經選好量程的電壓表、電流表等。如電流表選的量程為0~0.6A,則表示允許通過的最大電流為0.6A;電壓表選的量程為0~3V,則表示允許加在其兩端的電壓最大為3V;定值電阻R標有“1.5A”字樣表示的是允許通過的最大電流為1.5A;燈泡L上標有“3.8V0.3A”表示燈泡正常工作時的電壓是3.8V,正常工作時的電流是0.3A,也可理解為燈泡兩端電壓最多為3.8V、通過燈泡的最大電流為0.3A。
二、弄清引起這些元件中電流、電壓變化的因素
其實,不論是串聯電路、并聯電路還是混聯電路,電路中不論哪部分的電流或電壓發(fā)生變化,都最終由電路中的總電阻發(fā)生變化引起的。筆者之所以強調這一步,是想給學生指明分析的頭緒。
三、根據歐姆定律列出決定對應元件中電流、電壓大小的關系式,并建立相應不等式再解方程
例1:(青島市中考題)小馬將一個0~16Ω的滑動變阻器和電流表如圖所示,連接在電壓為6V的電源上,若電流表的量程為2A,閉合開關后,則當滑動變阻器滑片P在ab間滑動時,Rap的阻值變化范圍是多少?
分析:該電路中需保護的元件是電流表,由于電流表測干路電流I總,為保護電流表不損壞則I總≤2A,而電路中引起總電流變化的原因是總電阻在變化,又此電路是由Rap和Rpb并聯,則
R總=Rap?RpbRap+Rpb=Rap16Ω-Rap16Ω
根據I=UR可得 I總=UR總=6VRap16Ω-Rap16Ω=96Rap16-Rap
∴96Rap16-Rap≤2A 解方程得4Ω≤Rap≤12Ω
即Rap的阻值變化范圍是4Ω~12Ω
例2:(桂林市中考題)如圖所示的電路中,電源電壓為4.5V且恒定不變,電阻R1=4Ω,變阻器R2的最大阻值為15Ω,電流表的量程為0~0.6A,電壓表的量程為0~3V,為了保護電表安全,變阻器接入電路的范圍不能超出()
A.3.5Ω~8Ω B.2Ω~3.5ΩC.0~8Ω D.0~3.5Ω
分析:電路中需保護的元件是電流表和電壓表,電流表測電路的總電流I,為了不損壞電流表I≤0.6A,電壓表測變阻器R2兩端的電壓U2,為了不損壞電壓表則U2≤3V
由圖可知R1和R2串聯
∴R總=R1+R2=4Ω+R2
根據I=UR可得I=U總R總=4.5V4Ω+R2 ∴ 4.5V4Ω+R2≤0.6A①
U2=IR2=4.5V×R24Ω+R2 ∴ 4.5V×R24Ω+R2≤3V ②
聯立①式和②式解方程組可得3.5Ω≤R2≤8Ω,所以正確答案是A
例3:(北京市中考題)如圖所示電路,電源電壓為7.5V且保持不變,R為保護電阻,L為標有“6V3W”的燈泡,不考慮燈絲電阻隨溫度的變化。電流表量程為0~0.6A,電壓表量程為0~3V,閉合開關S后,要求燈L兩端的電壓不超過額定電壓,且兩電表的示數均不超過各自的量程,則滑動變阻器允許接入電路的最大阻值為____Ω。
分析:電路中需保護的元件有燈泡、電流表、電壓表。
對于燈泡,根據P=UI得,I額=P額U額=3W6V=0.5A
根據I=UR得 RL=U額I額=6V0.5A=12Ω
由于燈泡、電流表串聯在電路中,為了使電流不超過電流表的量程,使燈泡兩端電壓不超過6V,則電路中的電流I≤0.5A
根據I=UR可得I=U總R總=U總R+RL+R,=7.5VR+12Ω+R,
∴ 7.5VR+12Ω+R,≤0.5A解得R+R,≥3Ω
由于變阻器R,阻值是變化的,即R,≥0,則當R,=0時,R=3Ω
電壓表測變阻器兩端電壓U,,為了保護電壓表,則U,≤3V
根據I=UR可得,
U,=IR,=U總R總R,=U總R,R+RL+R,=7.5V×R,3Ω+12Ω+R,
∴ 7.5V×R,3Ω+12Ω+R,≤3V解得R,≤10Ω
即變阻器允許接入電路中的最大阻值為10Ω
例題4:(2013年荊州市中考題)小華同學用如圖所示的電路進行實驗,已知電源電壓U=12V,燈泡L標有“6V、3W”字樣(不計燈絲電阻隨溫度的變化),滑動變阻器R0標有“50Ω、1A”字樣,電流表量程為0.6A,電壓表量程為15V。在實驗中,為了確保測量準確,要求電表所測值不小于其量程13。要使測量準確并確保電路安全,求:
⑴燈泡L消耗的最小功率。
⑵滑動變阻器R0的阻值變化范圍。
解:⑴I額=P額U額=3W6V=0.5A,為保證電路安全且精確,由題意可得:
0.2A≤I總≤0.5A
P燈最小=I2總最小×R燈=(0.2A)2×12Ω=0.48W
⑵分析電路可得I總=U總R燈+R0=6V12Ω+R0電流表測I總,為保證電路安全且精確0.2A≤I總≤0.5A
U0=I總R0=U總R0R燈+R0=6VR012Ω+R0 電壓表測 U0為保護其安全且精確,5V≤U0≤15V
即: 0.2A≤6V12Ω+R0≤0.5A①
5V≤6VR012Ω+R0≤15V②
聯立①②式解得12Ω≤R0≤48Ω