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        特定任務(wù)情境下滑動(dòng)變阻器的選擇

        2025-02-25 00:00:00李剛劉智勇吳江
        物理教學(xué)探討 2025年1期
        關(guān)鍵詞:新高考

        摘" "要:滑動(dòng)變阻器的使用是高考的??純?nèi)容。基于試題創(chuàng)設(shè)的特定任務(wù)情境,通過(guò)分析限流電路和分壓電路的特點(diǎn),從安全、準(zhǔn)確、任務(wù)達(dá)成三個(gè)方面深入討論新高考背景下滑動(dòng)變阻器的選擇問(wèn)題。

        關(guān)鍵詞:特定任務(wù)情境;限流電路;分壓電路;滑動(dòng)變阻器;新高考

        中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A " " 文章編號(hào):1003-6148(2025)1-0058-3

        在限流電路中,滑動(dòng)變阻器的總阻值建議不小于負(fù)載電阻阻值的,不大于負(fù)載電阻阻值的5倍;在分壓電路中,滑動(dòng)變阻器的總阻值建議不大于負(fù)載電阻阻值的2倍[1]。以上建議是基于滑動(dòng)變阻器在控制電路中調(diào)節(jié)時(shí)電壓和電流盡可能平穩(wěn)、靈敏地變化而得到的結(jié)論,而新高考試題通常是基于真實(shí)物理情境,側(cè)重考查學(xué)生的物理核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力。顯然,僅憑所謂的“結(jié)論”選擇滑動(dòng)變阻器的方法不再適用?;谒仞B(yǎng)立意的物理試題通常創(chuàng)設(shè)了特定的任務(wù)情境,對(duì)滑動(dòng)變阻器總阻值有特殊的限定,學(xué)生需要掌握相關(guān)電路必備知識(shí),通過(guò)邏輯推理、科學(xué)探究才能得出正確結(jié)論,如果僅依據(jù)“結(jié)論”解題就會(huì)出現(xiàn)謬誤?,F(xiàn)做以下分析。

        1" " 基于“安全”對(duì)滑動(dòng)變阻器總阻值的要求

        例1 (高考試題改編)物理課外興趣小組接到任務(wù),需設(shè)計(jì)制作一個(gè)自動(dòng)溫度報(bào)警系統(tǒng),電路原理如圖1所示,正常工作溫度要求低于60 ℃。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有器材:熱敏電阻(該電阻阻值隨溫度升高而減小,當(dāng)溫度為60 ℃時(shí),其阻值為650.0 Ω),蜂鳴報(bào)警器(電阻忽略不計(jì),當(dāng)通過(guò)報(bào)警器的電流超過(guò)臨界值IC=10 mA時(shí)就發(fā)出聲音報(bào)警,通過(guò)報(bào)警器的最大電流不能超過(guò)20 mA),最大阻值為999.9 Ω的電阻箱,穩(wěn)恒直流電源輸出電壓U約為18 V,最大阻值為1 000 Ω的滑動(dòng)變阻器R1,最大阻值為2 000 Ω的滑動(dòng)變阻器R2,一個(gè)單刀雙擲開關(guān),若干導(dǎo)線。

        現(xiàn)在某正常工作溫度下設(shè)置該溫度報(bào)警系統(tǒng),要求當(dāng)實(shí)際溫度大于或等于設(shè)置溫度時(shí),系統(tǒng)報(bào)警,題目所給兩個(gè)滑動(dòng)變阻器“R1”和“R2”中應(yīng)選擇________。

        60 ℃時(shí),熱敏電阻的阻值為650.0 Ω,控制電路為限流電路。按照相關(guān)“結(jié)論”[1],在限流電路中,滑動(dòng)變阻器的總阻值建議不小于負(fù)載電阻阻值的,不大于負(fù)載電阻阻值的5倍,兩個(gè)滑動(dòng)變阻器均符合要求。這樣選擇滑動(dòng)變阻器要么靠猜,要么從便于調(diào)節(jié)的角度(線性度更好)[2-3]選擇R1,都是錯(cuò)誤的。仔細(xì)分析題目創(chuàng)設(shè)的特定任務(wù)情境,發(fā)現(xiàn)流過(guò)報(bào)警器的電流超過(guò)IC時(shí)才會(huì)報(bào)警,且流過(guò)報(bào)警器的電流超過(guò)20 mA時(shí),報(bào)警器可能損壞。應(yīng)用所學(xué)物理知識(shí)推理可知:設(shè)計(jì)電路外電阻范圍是: Ω=900 Ω≤R≤ Ω=1 800 Ω,取正常工作范圍內(nèi)報(bào)警器電阻的最小值650.0 Ω,則滑動(dòng)變阻器的總電阻值的取值范圍是:250 Ω≤R≤1 150 Ω,因此,只有滑動(dòng)變阻器R2滿足要求。

        2" " 基于“準(zhǔn)確”對(duì)滑動(dòng)變阻器總阻值的要求

        例2 (高考試題改編)如圖2所示,現(xiàn)需要測(cè)量一個(gè)電壓表(量程為2.5 V,RV≈3 kΩ)的內(nèi)阻,實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有器材:最大阻值為99 999.9 Ω的電阻箱R,最大阻值為50 Ω的滑動(dòng)變阻器R1,最大阻值為5 kΩ的滑動(dòng)變阻器R2,電動(dòng)勢(shì)為3 V的直流電源E,一個(gè)開關(guān),若干導(dǎo)線。主要操作步驟為:閉合開關(guān)S,電阻箱的阻值調(diào)為0,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使電壓表示數(shù)達(dá)到滿偏,保持滑動(dòng)變阻器阻值不變,調(diào)節(jié)電阻箱阻值,使電壓表示數(shù)變?yōu)榱砍痰囊话耄妷罕韮?nèi)阻的測(cè)量值就等于此時(shí)電阻箱的讀數(shù)。

        為盡可能準(zhǔn)確地測(cè)量電壓表的內(nèi)阻,題目所給兩個(gè)滑動(dòng)變阻器“R1”和“R2”應(yīng)選擇________。

        按照相關(guān)“結(jié)論”[1],在分壓電路中,滑動(dòng)變阻器的總阻值建議不大于負(fù)載電阻阻值的2倍,兩個(gè)滑動(dòng)變阻器均符合要求,導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法選擇正確答案。本實(shí)驗(yàn)原理為恒壓半偏法,認(rèn)為調(diào)節(jié)電阻箱時(shí)滑動(dòng)變阻器上的分壓不變,但實(shí)際情況因?yàn)殡娮柘渥柚翟龃笤斐苫瑒?dòng)變阻器上的分壓略微增大,從而導(dǎo)致系統(tǒng)誤差。為了能盡量減小這一誤差,需要使滑動(dòng)變阻器左邊部分的電阻(圖2)與電壓表和電阻箱支路電阻并聯(lián)之后的總電阻近似不變,根據(jù)電阻并聯(lián)規(guī)律可知,這就需要滑動(dòng)變阻器與電壓表和電阻箱并聯(lián)的那部分電阻遠(yuǎn)小于電壓表和電阻箱支路電阻,所以滑動(dòng)變阻器應(yīng)選擇最大阻值較小的R1。

        3" " 基于“任務(wù)達(dá)成”對(duì)滑動(dòng)變阻器總阻值的要求

        例3 為描繪小燈泡L(額定電壓3 V,額定電流0.6 A)的U-I伏安特性曲線,實(shí)驗(yàn)器材有:一個(gè)舊電源(電動(dòng)勢(shì)E為4.2 V,內(nèi)阻r為2 Ω),滑動(dòng)變阻器R1(最大阻值為5 Ω,額定電流為2 A),滑動(dòng)變阻器R2(最大阻值為20 Ω,額定電流為1 A),要求數(shù)據(jù)從零開始測(cè)量,實(shí)驗(yàn)中應(yīng)選擇滑動(dòng)變阻器___________(填“R1”或“R2”)。

        題目要求數(shù)據(jù)從零開始測(cè)量,控制電路選擇分壓電路,如圖3所示(沒有畫出電壓表和電流表)。選擇滑動(dòng)變阻器時(shí),如果依據(jù)相關(guān)“結(jié)論”[1]以滑動(dòng)變阻器的總阻值建議不大于負(fù)載電阻阻值的2倍為標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)選擇R1,但分析后會(huì)發(fā)現(xiàn)選擇R1不能完成實(shí)驗(yàn)要求的任務(wù)。描繪小燈泡的伏安特性曲線要求測(cè)量的電壓數(shù)據(jù)達(dá)到額定電壓3 V,由于真實(shí)情境中電源內(nèi)阻不能忽略,如果要讓燈泡兩端的電壓達(dá)到額定電壓3 V,這對(duì)滑動(dòng)變阻器的總電阻值有一定要求?,F(xiàn)分析小燈泡兩端電壓與滑動(dòng)變阻器總阻值的關(guān)系,以便正確選擇滑動(dòng)變阻器。

        滑動(dòng)變阻器滑片滑到C端時(shí),小燈泡兩端電壓最大,此時(shí)電壓U為

        U=

        (注:R0為小燈泡電阻,R為滑動(dòng)變阻器總阻值,r為電源內(nèi)阻,E為電源電動(dòng)勢(shì)。)

        當(dāng)小燈泡電壓達(dá)到3 V時(shí),電阻為5 Ω,現(xiàn)將小燈泡當(dāng)成電阻為5 Ω的定值電阻進(jìn)行分析,將數(shù)據(jù)代入上式

        U=

        利用數(shù)學(xué)軟件作出U-R圖像(圖4),從圖中可以分析出滑動(dòng)變阻器總阻值大于等于15 Ω才能使小燈泡的電壓達(dá)到3 V。綜上所述,滑動(dòng)變阻器應(yīng)選擇R2。

        4" " 典型實(shí)例分析

        例4 (高考試題改編)物理課外興趣小組接到任務(wù),需設(shè)計(jì)制作一個(gè)自動(dòng)溫控系統(tǒng),電路原理如圖5所示,使用器材包含滑動(dòng)變阻器R、熱敏電阻Rt、常閉繼電器、電源E,當(dāng)通過(guò)繼電器的電流I≥15 mA時(shí),電磁鐵吸合銜鐵,加熱電路斷開,加熱器停止工作,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫度控制。熱敏電阻Rt的阻值隨溫度t變化而變化,具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

        實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有器材:最大阻值為200 Ω的滑動(dòng)變阻器R1,最大阻值為500 Ω的滑動(dòng)變阻器R2,電動(dòng)勢(shì)為3 V且內(nèi)阻不計(jì)的電源E1,電動(dòng)勢(shì)為6 V且內(nèi)阻不計(jì)的電源E2,熱敏電阻Rt,最大阻值為999.9 Ω的電阻箱,阻值約為20 Ω的常閉繼電器R0,一個(gè)開關(guān)S,若干導(dǎo)線。

        要求自動(dòng)溫控系統(tǒng)正常工作溫度范圍為30 ℃≤t≤80 ℃,題目所給兩個(gè)電源“E1”和“E2”應(yīng)選擇________,題目所給兩個(gè)滑動(dòng)變阻器“R1”和“R2”應(yīng)選擇________。

        由表1數(shù)據(jù)可知,當(dāng)溫度為30 ℃時(shí),熱敏電阻阻值為199.5 Ω,繼電器的阻值R0取20 Ω,滑動(dòng)變阻器阻值取0,當(dāng)電流為15 mA時(shí),最小電源電動(dòng)勢(shì)E=I(Rt+R0)=3.3 V,所以電源選E2。當(dāng)溫度為80 ℃時(shí),熱敏電阻阻值Rt=49.1 Ω,則E2=I(Rt+R0+R),此時(shí)變阻器阻值R=330.9 Ω,顯然,滑動(dòng)變阻器R1不能滿足任務(wù)要求,所以選擇滑動(dòng)變阻器R2。我們認(rèn)為,滑動(dòng)變阻器選擇的優(yōu)先級(jí)順序?yàn)椋菏紫仁前踩?,然后是任?wù)達(dá)成,最后是準(zhǔn)確。

        5" " 教學(xué)建議

        關(guān)于滑動(dòng)變阻器的使用一直是高考考查的熱點(diǎn)問(wèn)題,也是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。師生對(duì)于滑動(dòng)變阻器的選擇大多基于電壓和電流盡可能平穩(wěn)、靈敏地變化,利用相關(guān)“結(jié)論”進(jìn)行選擇,顯然這種方法面對(duì)素養(yǎng)立意的新高考試題不再有效。在特定任務(wù)情境下,滑動(dòng)變阻器的選擇需要依據(jù)歐姆定律、串、并聯(lián)電路的特點(diǎn)以及函數(shù)圖像等物理知識(shí),從安全、準(zhǔn)確、任務(wù)達(dá)成三個(gè)方面綜合分析、研判,從而得出正確結(jié)論。

        參考文獻(xiàn):

        [1]常曉慧,侯恕.從一道高考題談限流和分壓電路對(duì)滑動(dòng)變阻器阻值的要求[J].物理教師,2017,38(10):85-87.

        [2]劉旭.高中電學(xué)實(shí)驗(yàn)滑動(dòng)變阻器選擇釋疑[J].物理通報(bào),2024(3):111-115.

        [3]呂俊君.從圖象角度深入分析分壓電路與限流電路中滑動(dòng)變阻器的選擇[J].物理教學(xué),2022,44(5):45-48.

        (欄目編輯" " 陳" 潔)

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