初中物理关于电路变化问题的定性分析

所属专题:初中物理知识点总结  来源:沪江中学学科网    要点:初中物理知识点  
编辑点评: 物理学是研究自然界中物理现象的科学。这些现象包括力现象,声音现象,热现象,电和磁现象,光现象,原子和原子核的运动变化等现象。学习物理的主要任务就要研究这些现象,找出其中的规律,了解产生这些现象的原因。

  在初中物理的电学习题中,经常会遇到这样一类问题:电源电压不变,由于可变电阻阻值变化,或者说某个开关闭合或断开引起阻值变化,然后让你判断电路的电流、各电阻两端的电压以及电功率怎样变化。学生对这样的问题感到非常棘手,其实这是有规律可循的。首先弄清电路的串并联关系,然后根据电压、电阻、电流间的变化关系,在寻找变量的同时,要注意哪些是不变的物理量,便可以顺利解决问题。因为电阻、电流和电压是彼此关联的,要想处理好这类问题,主要解决好以下几个环节:局部电阻的变化→整个电路的电阻的变化→总电流的变化→局部定值电阻电压的变化→局部电流的变化。下面我们就几个案例进行分析。

  一、滑动变阻器阻值的变化问题

  

 

  例1 在如图1所示的电路中,R1是定值电阻,电源电压U保持不变,当滑动变阻器滑片向右移动时,电压表、电流表的示数如何变化?

  分析 滑片向右移动时,滑动变阻器接入电路的电阻R2变大,由于R1是定值电阻,所以串联电路的总电阻R串=R1+R2变大,串联电路的电流I=U/R串,因U恒定不变,R串变大,所以I变小,电流表示数就变小。定值电阻两端的电压U1=IR1,因为I变小,而R1不变,所以U1变小,电压表示数变小。即分析思路流程如下(↑表示增大,↓表示减小):

  

 

  思考:若要判断滑动变阻器两端电压U2,能否根据U2=IR2来判断U2的变化?回答显然是否定的,因为I和R2都是变化的,而此时的问题切入点应是R2的阻值不变,再根据U2=U-U1,因U恒定不变,U1减小,则U2增大分析思路流程如下:

  

 

  例2 如图2所示。当滑动变阻器滑片向右移动时,各电压表、电流表的示数如何变化?

  解析 根据电路特点可以确定R1和R2并联。电压表测量的是R2或R1两端的电压,也就是电源的电压,电流表A,A1和A2分别测量的是通过干路、R1和R2支路的电流。其实,这个问题的关键在于并联电路的电流、电压和电阻的关系。滑动变阻器连入电路的阻值虽是增大的,但直接接在电源的两端,引起了总电阻的变化,但并没引起总电压的变化,所以它只改变滑动变阻器这一支路电流,并不能改变R1支路电流。分析思路流程如下:

  

     

 

  例3 如图3所示电路,当滑片向左滑动时,各电表的示数如何变化?

  分析 此问题关键是分析电路,R1和R2组成了一个串联电路,但R1滑片的一端接在电压表上,也就是说滑动变阻器的滑片并不能改变整个电路的总电阻,所以电路的电流并不改变,电压表测量的是加在滑动变阻器R1右面部分的电阻与R2两端的电压之和。分析思路流程如下:

  

 

  例4 如图4所示电路,当滑片向右滑动时,各表的示数如何变化?

  

 

  分析 此电路是混联电路,R1和R2并联再与R3串联,电流表A1,A2,A3分别测通过R1、R2和干路的电流,电压表测量的是滑动变阻器两端的电压,滑动变阻器的阻值增大,并联电路的等效电阻没有变化,当滑片向右滑时,R3变小,则R总变小,总电流变大,这时的切入点是R并不变,U并变大,因而I1和I2变大,又由于U不变,U3变小。分析思路的流程如下:

  

 

  例5 如图5所示,当滑片向右滑动时(不包括最右端)。各表示数变化情况?

  

 

  分析 这是一个混联电路,但滑动变阻器在一支路上,当滑片向右滑动时,接入电路的阻值减小,则并联部分的阻值减小。总阻值减小,总电流增大,此时切入点是干路上的电阻R3,由于R3的阻值不变,所以U3变大,U并变小,流过R1的电流变小,总电流变大,流过R2的电流变大。分析思路的流程如下:

  

 

  例6 电路如图6所示,电源电压U=6V恒定不变,定值电阻R=10Ω,滑动变阻器最大值Rm=20Ω。关于滑动变阻器消耗的功率,下列说法正确的是( )

  

 

  A.当滑片P在a端时。滑动变阻器消耗的功率为零

  B.当滑片P在ab中点时,滑动变阻器消耗的功率为0.9W

  C.当滑片P从a端移动到b的过程中,滑动变阻器消耗的功率逐渐变大

  D.滑片P从a移动到b的过程中,滑动变阻器消耗的功率先变大后变小

  分析 这个问题难点在于不是求滑动过程中定值电阻的电功率的变化关系,而是求滑动变阻器消耗的电功率的变化关系。如果高中阶段用极值的方法解得当R=Rpa,滑动变阻器消耗的电功率最大,但在初中阶段学生的数学知识储备不足,而且又是一道选择题。所以此时只能用特殊值法和排除法,分别算出滑片在点a,b和中点时的电功率的大小并进行比较,也可以得出三者的关系。

  

 

 

 

  

 

 

  则

 

 

  

 

 

  则

 

  所以,此题正确答案为选项ABD。

  

 

  例7 如图7所示,当变阻器的滑片P置于某位置时,R1、R2两端的电压分别为U1和U2,当滑片P置于另一位置时,R1,R2两端的电压分别为U1′和U2′,若

,则( )

 

  A.

 

  B.

 

  C.

 

  D.无法判断哪个大

  

 

  分析 如果将图7变换为图8就能非常方便地解决问题。当R1增大时,总电阻增大,电压不变,电流I变小,R0和R2是定值电阻,可以把R0和R2看做是一个电阻R,所以电阻R上的电压减小值是U1的增大值,即

。则

分析思路的流程如下:

 

  

 

  

 

  二、开关的闭合与断开问题

  这类问题也可以使电路中的电流、电阻和电压及电功率发生变化,分析此类问题同样应注意哪些是不变的物理量,然后根据串并联关系,依据不变量推导变量的变化规律。

  

 

  例8 在如图9所示的电路中,R1、R2是定值电阻,电源电压U保持不变。当开关S1由断开变为闭合时,电压表、电流表的示数如何变化?

  分析 开关S1断开时,R1与R2组成串联电路,电压表测量的是R1两端的电压,它只是总电压的一部分,电流表测量的是串联电路中的电流

;而当开关S1闭合后,R2被短路,电路中只有R1,电压表测量的仍是R1两端的电压即总电压,故电压表的读数变大,电流表此时测量的是通过电阻R1的电流

,故电流表的读数变大,分析思路如下:

 

  

 

  综上所述,我们分析此类问题时,应从“局部→整体→局部”这一“不变”的原则来应对“万变”的电路变化,我们应紧紧把握哪些物理量不变,并以此为切入点,然后在分析问题的过程中运用逻辑推理的方法,使这一问题像做“多米诺骨牌”游戏一样,前一个扣倒后一个,后一个再扣倒后一个,如此下去,其中体现了逻辑的美感,但这种美感是建立在缜密的思考过程与严谨的定性计算的基础上,因此要求学生有宽阔的视野和扎实的基本功。 

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