巧从电压入手,解答电学问题

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  电学问题涉及到的公式多,相关条件多,电路变化复杂,因此思路容易受到干扰,解决起来比较棘手。如果能够通过对题目的分析,寻找到电压变化所引起的数量变化规律,则有可能化繁为简,下面举例分析。
  例1(2006年扬州考题)某物理兴趣小组为自制一台电子秤,进行了下列探究活动:
  研究弹簧的特性。他们做了如图1的实验,根据弹簧伸长x与拉力F的关系图象如图2所示。
  设计方案。设计的原理图如图3,利用量程为3V的电压表的示数来指示物体的质量(电压表刻度盘如图4),弹簧(即图1中使用的弹簧)的上端与变阻器的滑片和托盘连接(托盘与弹簧的质量均不计),O、A间有可收缩的导线,当托盘内没有放物体时,电压表示数为零。
  分析与计算。已知滑动变阻器总电阻R=12Ω,变阻器总长度为12cm,电源电压恒为6V,定值电阻R0=10Ω(不计摩擦,弹簧始终在弹性限度内,g=10N/kg)。求:
  (1)当物体的质量为100g时,电压表的示数是多少?
  (2)该电子秤能测量的最大质量是多大?
  (3)改装好的电子秤刻度与原来的电压表表头的刻度有何不同?
   解析:在电子秤上加减物体时,引起托盘下弹簧的伸缩,导致滑动变阻器阻值的变化,从而导致电压表的读数发生同步变化,而整个过程中电路总电压始终没有改变,这就是电子秤的工作原理。我们要抓住电压进行列式。
  (1)托盘上放100g物体时,弹簧受到的压力为1N,根据图2可知,弹簧此时被压缩2cm,所以滑动变阻器进入电路的电阻线长度为2cm,即此时RP=12Ω×2cm/12cm=2Ω。此时的方程有:UP=U-U0=U-I0R0=U-IR0=6V-×10Ω=1V。
  (2)电压表的最大量程为3V,因此滑动变阻器上获得的最大电压应为3V。因为总电压U=6V不变,所以当托盘上放最多的物体时,滑动变阻器上电压和R0上电压恰好相等,所以RP最大=R0=10Ω,此时滑动变阻器电阻线进入电路的部分长度(即弹簧收缩的长度ΔL)为L=12cm×=10cm,而根据图2有,每增加1N,弹簧长度变化2cm,所以该电子秤最多承受5N:即该电子秤能测量的最大质量是500g。
  (3)改装好的电子秤刻度是以g为单位的,而原来的电压表表头的刻度以V为单位。
  点评:总电压不变是我们解答本题的关键。抓住这个状态量,是解答此问题的突破口。
  例2(2006年南通市课改区考题)小明同学设计的“风力测试仪”在校科技节上备受师生的青睐,“风力测试仪”的原理如图5所示。电源电压6V,R0为保护电阻,AB为长20cm、阻值为50 的均匀电阻丝。OP为质量、电阻均不计的金属细杆,下端连接一个重为2N的球P。闭合开关S,无风时,OP下垂并与电阻丝的B端接触;有风时,球P受风力的作用,使金属细杆OP绕悬挂点O偏转,当偏转到电阻丝的A端时,电流表示数为0.6A.已知悬挂点O与电阻丝B端的距离为10cm,金属细杆OP始终与电阻丝AB接触良好且无摩擦,求:
  (1)R0的阻值;
  (2)无风时电流表示数;
  (3)在风力作用下,当金属细杆OP在图示位置静止时,作出F风的力臂,并求出该力的大小.
  解析:金属细杆在AB之间滑动时,电源电压始终没有改变,因此电压是我们解答本题的入手点。
  (1)要计算R0的阻值,必须利用金属细杆OP在A点位置时的状态参量进行列式。此时电路中只有R0正常工作,因此等效电路如图6所示。
  (2)无风时,电路中的R0和RAB串联在一起在电路中工作,因此等效电路变为如图7所示。
  (3)本问属于杠杆问题,由同学们自己解答。
  例5(2006年山东济宁课改区考题)如图8所示,电源电压不变,当开关S闭合时,电表示数的变化情况是()。
  A.电流表、电压表示数均变大
  B.电流表、电压表示数均变小
  C.电压表示数变大,电流表示数变小
  D.电压表示数变小,电流表示数变大
  解析:结合题意可知,开关闭合前后,电源电压不变。开关闭合前,电阻R1和R2串联,此时电流表的读数表达式为:I=,电压表读数等于电阻R2上的电压,也是电路总电压U的一部分;开关闭合后,电阻R1被短路,电阻R2独立工作,此时电流表的读数为I=,电压表的读数是电阻R2上的电压,也是电路的总电压U。因此选A。
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