劉楚良

(湖南省長(zhǎng)沙市周南梅溪湖中學(xué))

物理圖像能形象地表達(dá)物理規(guī)律,直觀地描述物理過(guò)程,鮮明地表示物理量之間的相互關(guān)系,在中學(xué)物理中應(yīng)用廣泛,是分析物理問(wèn)題的有效手段之一.在“恒定電流”的學(xué)習(xí)過(guò)程中,很多同學(xué)對(duì)電源和電阻的U-I圖像存在概念混淆、應(yīng)用困難的現(xiàn)象.本文通過(guò)兩類圖像的知識(shí)梳理、比較分析,幫助同學(xué)們透徹理解兩類圖像的物理意義.

1 兩類圖像進(jìn)行比較分析

表1

2 兩類圖像的應(yīng)用

2.1 兩類圖像的理解

例1 在如圖1所示的U-I圖像中,直線Ⅰ為某一電源的路端電壓與電流的關(guān)系圖線,直線Ⅱ?yàn)槟骋浑娮鑂的U-I圖線.用該電源直接與電阻R相連組成閉合電路,由圖像可知( ).

圖1

A.電源的電動(dòng)勢(shì)為3V,內(nèi)阻為0.5Ω

B.電阻R的阻值為1Ω

C.電源的輸出功率為4 W

D.電源的效率為50%

由圖線Ⅰ可知,電源的電動(dòng)勢(shì)為3V,內(nèi)阻為r＝0.5Ω;由圖線Ⅱ可知,電阻R的阻值為1Ω,該電源與電阻R直接相連組成的閉合電路的電流I＝2A,路端電壓U＝IR＝2V(可由題圖讀出),電源的輸出功率為

故選項(xiàng)A、B、C正確,選項(xiàng)D 錯(cuò)誤.

2.2 兩類圖像交點(diǎn)的應(yīng)用

例2 如圖2-甲所示為某一小燈泡的U-I圖線,現(xiàn)將兩盞這樣的小燈泡并聯(lián)后再與一個(gè)4Ω 的定值電阻R串聯(lián),接在內(nèi)阻為1Ω、電動(dòng)勢(shì)為3V 的電源兩端,如圖2-乙所示,則( ).

圖2

A.通過(guò)每盞小燈泡的電流約為0.2A,此時(shí)每盞小燈泡的電功率約為0.6 W

B.通過(guò)每盞小燈泡的電流約為0.3A,此時(shí)每盞小燈泡的電功率約為0.6 W

C.通過(guò)每盞小燈泡的電流約為0.2A,此時(shí)每盞小燈泡的電功率約為0.2 W

D.通過(guò)每盞小燈泡的電流約為0.3A,此時(shí)每盞小燈泡的電功率約為0.4 W

設(shè)每個(gè)燈泡兩端的電壓、通過(guò)的電流分別為U、I,根據(jù)閉合電路歐姆定律得

U＝E－2I(R＋r)＝3－10I(V).

在圖2-甲上畫出等效電源的U-I圖線,如圖3所示,得出交點(diǎn)坐標(biāo)約為I＝0.2A,U＝1.0V,故P＝UI＝0.2 W.答案為C.

圖3

2.3 兩類圖像在實(shí)驗(yàn)誤差分析上的應(yīng)用

1)伏安法測(cè)電阻的實(shí)驗(yàn)誤差分析

用伏安法測(cè)電阻,由于電表內(nèi)阻的存在,不可避免地給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)了誤差.現(xiàn)用電阻的U-I圖像來(lái)分析外接法電路中的實(shí)驗(yàn)誤差.

利用圖4所示外接法電路得到幾組U、I值,作出U-I圖線OP,如圖5所示,則直線OP的斜率就表示待測(cè)電阻的測(cè)量值.

圖4

圖5

由于電壓表的分流,電流表測(cè)量的是干路電流,比通過(guò)電阻的真實(shí)電流大,而電壓表測(cè)量的電阻兩端的電壓是準(zhǔn)確的,在U-I圖像中得到一條直線OP′,則其斜率表示待測(cè)電阻的真實(shí)值,從圖中很直觀地得出測(cè)量值小于真實(shí)值.用類似方法可得內(nèi)接法測(cè)出的電阻值大于真實(shí)值.

2)伏安法測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻的實(shí)驗(yàn)誤差分析

如圖6所示,閉合開關(guān),改變滑動(dòng)變阻器阻值,測(cè)出多組U、I值,作出U-I圖線AB,如圖7所示,則直線AB在縱軸上的截距表示電源電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量值,斜率的絕對(duì)值表示電源內(nèi)阻的測(cè)量值.而實(shí)際由于電壓表的分流作用,電流表測(cè)量的電流值小于流過(guò)電源內(nèi)部的電流值,且只有外電路短路時(shí)兩電流才能相等,經(jīng)修正后得出的電源的U-I圖像為直線A′B,從圖像可直觀得到電源電動(dòng)勢(shì)測(cè)量值小于真實(shí)值,內(nèi)電阻的測(cè)量值同樣小于真實(shí)值.

圖6

圖7

總之,我們?cè)谧R(shí)圖、作圖和用圖的過(guò)程中,應(yīng)加深對(duì)知識(shí)的掌握,提高從材料、文字中獲取有用信息的能力,培養(yǎng)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的思維.兩類U-I圖像,兩種不同的情境,兩種不同物理量的關(guān)系,只要充分理解圖像中軸、點(diǎn)、線、截距、斜率、面積、交點(diǎn)等在具體物理情境中的物理意義,熟練運(yùn)用好圖像,問(wèn)題就可迎刃而解.