馬宏志

(如皋市吳窯鎮(zhèn)吳窯初級中學(xué),江蘇 如皋 226533)

變阻器貫穿整個初中電學(xué)學(xué)習(xí)過程,正是由于變阻器的存在,使得恒壓電路中電阻發(fā)生變化,進(jìn)而使電路中不同電阻(或用電器)的電流、電功、電功率發(fā)生動態(tài)變化,形成動態(tài)電路[1].動態(tài)電路中有一種題型是范圍設(shè)定問題.文章以一道探究“通過導(dǎo)體的電流與電壓、電阻的關(guān)系”試題為例,分析動態(tài)電路中范圍設(shè)定問題,并以此為基礎(chǔ),拓展分析理想電源中不同范圍設(shè)計及小燈泡電功率范圍設(shè)定問題.

例題如圖1是某小組同學(xué)準(zhǔn)備探究“通過導(dǎo)體的電流與電壓、電阻的關(guān)系”的實驗電路,實驗器材:干電池2節(jié),變阻器(20 Ω,1 A)、電流表、電壓表、開關(guān)各一個,不同阻值的定值電阻及導(dǎo)線若干.

圖1 探究實驗電路

為了驗證“電壓一定時,電流與電阻成反比”規(guī)律,該小組同學(xué)選擇了5 Ω、10 Ω、20 Ω的定值電阻,準(zhǔn)備分別接入圖1電路,測量電流進(jìn)行探究,有同學(xué)提議:既然探究時需要保持電阻兩端電壓不變,圖1中可以不用連接變阻器和電壓表.他們按照提議分別將三只電阻由小到大接入電路,閉合開關(guān)后,電流表示數(shù)分別為0.42 A,0.24 A,0.13 A,發(fā)現(xiàn)無法驗證.于是他們計劃仍按圖1進(jìn)行探究,分析測量數(shù)據(jù)后,選定準(zhǔn)備加在電阻兩端的電壓值U,為確保完成驗證,則這個電壓值U的范圍為( ).

A.1.5 V

C.1.3 V

解析在探究“電壓一定時,電流與電阻成反比”規(guī)律時,應(yīng)該控制電阻R兩端電壓不變,利用電源電壓為定值,直接更換不同電阻進(jìn)行實驗時記錄實驗數(shù)據(jù)如表1所示,從表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),在更換電阻阻值越來越大時,其兩端電壓越來越大,由于電源電壓為定值,實驗電阻電壓越來越大的原因可能是存在另一個隱形電阻與實驗電阻串聯(lián),根據(jù)串聯(lián)電路分壓原理可以解釋電阻越大電壓越大的原因.

表1 I與R的部分關(guān)系數(shù)據(jù)

拓展1:理想電源中范圍設(shè)定問題

在探究“電流與電阻的關(guān)系”時,一般需要設(shè)定電壓值,即保持電阻兩端電壓為一定值,以例題中實物圖為例,變阻器(20 Ω,1 A)、三個定值電阻為5 Ω、10 Ω、20 Ω,實驗中需要記錄三組實驗數(shù)據(jù),現(xiàn)進(jìn)行電壓范圍設(shè)定.

問題1如果電源電壓為6 V,則電阻兩端電壓設(shè)定范圍為____V.

根據(jù)上面對定值電阻兩端電壓設(shè)定范圍研究,當(dāng)變阻器接入電路阻值最大,電阻兩端電壓最小;當(dāng)變阻器接入電路阻值最小,電阻兩端電壓最大.

由于變阻器Imax=1 A,即Rpmin=1 Ω,當(dāng)Imax=1 A時,Umax=Imax·Rmin=1 A×5 Ω=5 V

所以本題中電阻兩端電壓設(shè)定范圍為3-5 V.

問題2如果電阻兩端電壓設(shè)定值為2 V,則電源電壓設(shè)定范圍為____V.

如果電阻兩端電壓設(shè)定值為2 V,則當(dāng)變阻器全部接入電路(Rpmax=20 Ω)時電源電壓最大.

問題3如果電源電壓為9 V,電阻兩端電壓設(shè)定值為4 V,則需要變阻器最大值為大于等于____Ω;或?qū)?0 Ω定值電阻變?yōu)樾∮诘扔赺___Ω.

拓展2測量小燈泡電功率范圍設(shè)定

將例題中定值電阻換成小燈泡,利用實物圖不僅可以測量小燈泡電阻,而且還可以測量小燈泡電功率,由于變阻器滑片P的移動,導(dǎo)致小燈泡兩端實際電壓發(fā)生變化,小燈泡燈絲電阻隨溫度升高而增大,所以小燈泡在不同電壓下實際功率不同,因此,小燈泡功率也存在范圍設(shè)定問題.

問題將例題中定值電阻換成小燈泡,并畫出如圖2甲所示的電路圖,其中電源電壓為6 V、小燈泡(額定電壓為2.5 V,燈絲電阻約為10 Ω),電流表、電壓表、開關(guān)各一個,變阻器R(50 Ω,0.8 A),導(dǎo)線若干.根據(jù)實驗測得的數(shù)據(jù)畫出小燈泡U-I關(guān)系圖像如圖2乙(坐標(biāo)軸上的數(shù)值已被擦除),分析圖像可知,當(dāng)小燈泡兩端電壓為2 V時,其實際功率在以下哪個范圍內(nèi)( ).

圖2 拓展2問題電路圖及U-I圖像

A.P實≥0.625 W B.0.5 W≤P實<0.625 W

C.0.4 W

圖3 刻畫數(shù)值的U-I圖像

變式分析實驗中,變阻器滑片P向左移動時,變阻器接入電路的阻值減小,電流變大,小燈泡變亮,燈絲溫度升高,電阻變大,若變阻器接入電阻減小了△R1,小燈泡電阻增大了△R2,則△R1____△R2(選填“>”“=”或“<”).

本題也是由于變阻器阻值變化引起整個電路電流、電壓發(fā)生變化的范圍設(shè)定值問題,只是本題中變阻器減小的電壓ΔU1與小燈泡增大的電壓ΔU2相等,即ΔU1=ΔU2,所以需要對ΔU1與ΔU2進(jìn)行分析:

又ΔU1=ΔU2,

即ΔR1>ΔR2.

變阻器貫穿整個電學(xué)學(xué)習(xí)過程,解決由變阻器衍生出的范圍設(shè)定問題的關(guān)鍵在于根據(jù)電路設(shè)定條件、電表范圍、變阻器電阻變化等,結(jié)合電學(xué)規(guī)律對范圍設(shè)定進(jìn)行科學(xué)界定,進(jìn)而解決與范圍設(shè)定相關(guān)的更多電學(xué)問題.