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欧姆定律是解决简单电路问题的基本方法。不同同学对这一定律的使用,也各有所长。我们一起比较一下这些方法的优缺点,以利于迅速找到最好的解题方法,更好地理解电学中的最基本定律。
例1如图1所示,电源电压保持不变,当滑动变阻器的滑片在某两点间滑动时,电压表的示数在7.2V~10V范围内变化,电流表的示数在0.2A~0.48A范围内变化,求电源电压U和定值电阻R1的值。
分析电路在两种状态下,电流表、电压表示数的对应关系不能搞错。当电流小时,R1两端电压小,R2两端电压大,此时R2阻值也大。因此,当电压表示数是10V时,电流表示数是0.2A。
一、解题方法比较
大多数同学习惯从整体上用欧姆定律公式解题,即将三个基本量合用于一个式子。
(一)列方程组法
在此题目中,无法找到“同一状态”下,与所求量U或R1在同一段电路中对应的另两个量的具本数值,由此想到用列方程组的方法解之。
建立方程组就是利用一定的关系,在不同状态下将所求量与对应的已知量组织在一起。下面是几种列方程组的方法。
1.表示电路中不变的量。
不管滑片如何滑动,引起怎样的变化,在电路中总存在着不变的量(往往就是所求的量),可用变化的量表示这些不变的量。
(1)电阻器R1的阻值不变
(2)电源电压U不变
②U=0.2R1+10U=0.48R1+7.2
2.利用电路中不变的关系。
不变的关系就是电路三个基本物理量间的关系,根据电路的特点和方程中应包括所求量的要求,建立方程组有以下三种方法。
(1)电阻关系。
在串联电路中电阻的关系是:R=R1+R2,为了简化方程组,可先计算出变阻器在两种状态下的阻值(用电压表和电流表对应的示数计算,分别是50Ω和15Ω)。
(2)电流关系。
在串联电路中电流处相等,即I=I1=I2。但在本题中只需用与所求量有关的部分,即I=I1。R2的阻值可先求出。
(3)电压关系。
在串联电路中电压的关系是:U=U1+U2,建立的方程组与方程组②相同。
3.表示已知量。
用所求量表示已知量的数值,可将它们组织在一起,从而建立方程组。
(1)表示电流
(2)表示电压
⑥7.2=U-0.48R110=U-0.2R1
由上可知,列方程组的方法很多,列出的方程组形式各异,但每个方程组都可通过数学变形而相通。但解方程组②和⑥要简单一些,因其与另外几个方程组相比,可省去去分母的麻烦。
(二)比例法。
克服思维定势的影响,若将欧姆定律分而用之,即分别利用其中的两个比例关系,反而能更好地体现定律的实质,使解题过程更简洁。
1.电压相同时,电流与电阻成反比。
利用这一反比例关系,一定要注意其前提条件是“电压相同”。分析题意知,电路中只有电源电压(即总电压)不变,因而电流应与总电阻成反比。可先用对应电压、电流值求出R2的阻值。
2.电阻相同时,电流与电压成正比。
同样,利用这一正比例关系,也要注意其前提条件:电阻相同。由题意知,电路中只有定值电阻R1的阻值不变,因而可用“R1中电流与R1两端电压成正比”例方程。
(三)比差法。
在比例法的基础上,能不能再次“由分到合”是很多同学思考的问题。能否由欧姆定律整体使用而求解呢?
仔细推敲欧姆定律内容:当电阻不变时,电流与电压成正比。当电压发生变化时,电流发生相同比例的变化。即电压的差值与电流差值的比值(导体的电阻)是不变的,以下面推导佐证之。
因此,可以用比差法——电压差值和电流差值的比,求出定值电阻,继而求出其他相关量。实际的电路问题,基本上是通过改变开关的状态,或滑动变阻器滑片的位置来改变电阻,从而改变某部分电路的电压和电流,故此方法适用性较强。
本题中电路仅分成两部分,一部分电压增大值就是另一部分电压的减少值,即ΔU1=ΔU2。
纵观三类方法的解题过程,一般来说,比差法较为简洁,为首选方法,其次是比例法,再次是列方程组法。
但它们的理解难度则依次降低,运用比差法则还需经过简单的推导。但我们应不惜“多费一些功夫”,努力理解和使用简单方法,因为我们都懂得“磨刀不误砍柴功”的道理。
二、巧用条件,善用“比”的形式解题
运用“比”的方法解题,可省去很多解方程组的繁琐步骤,提高解题速度。只要巧妙利用问题中的条件,大多数这类问题中构造“比”式是比较容易的。
例2如图2所示,电源电压保持不变,当滑动变阻器的滑片P滑至a端时,电流表的示数是0.6A,当滑片P滑至b端时,电压表的示数是6V,R2的最大阻值是30Ω,求电源电压U和定值电阻R1的值。
分析只要着意从“比”式入手,便可知晓题中条件的应用方法。
1.比例法。
需先计算出滑片P滑至b端时的电流值:
以下可用两种比例关系解题:
2.比差法。
需计算出通过定值电阻R1的电流变化值及两端电压变化值。
ΔI=I-I′=0.6A-0.2A=0.4A。
ΔU=U-(U-U2)=U2=6V。
善于用“比”的形式解题,但不是说每一个问题都一定要用这个方法,因为我们需要通过一定的过程来构造“比”式。若能根据一定关系,直接利用已知条件,列出简单的方程组(如例1中②和⑥方程组),也不失为好方法。
点评在不熟悉最优解题方法的情况 下,要发扬“不管白猫黑猫,抓住老鼠就是好猫”的精神,但也要在一定基础上发扬“卖油翁”熟能生巧的精神。
(责任编辑 覃敬川)
注:“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
例1如图1所示,电源电压保持不变,当滑动变阻器的滑片在某两点间滑动时,电压表的示数在7.2V~10V范围内变化,电流表的示数在0.2A~0.48A范围内变化,求电源电压U和定值电阻R1的值。
分析电路在两种状态下,电流表、电压表示数的对应关系不能搞错。当电流小时,R1两端电压小,R2两端电压大,此时R2阻值也大。因此,当电压表示数是10V时,电流表示数是0.2A。
一、解题方法比较
大多数同学习惯从整体上用欧姆定律公式解题,即将三个基本量合用于一个式子。
(一)列方程组法
在此题目中,无法找到“同一状态”下,与所求量U或R1在同一段电路中对应的另两个量的具本数值,由此想到用列方程组的方法解之。
建立方程组就是利用一定的关系,在不同状态下将所求量与对应的已知量组织在一起。下面是几种列方程组的方法。
1.表示电路中不变的量。
不管滑片如何滑动,引起怎样的变化,在电路中总存在着不变的量(往往就是所求的量),可用变化的量表示这些不变的量。
(1)电阻器R1的阻值不变
(2)电源电压U不变
②U=0.2R1+10U=0.48R1+7.2
2.利用电路中不变的关系。
不变的关系就是电路三个基本物理量间的关系,根据电路的特点和方程中应包括所求量的要求,建立方程组有以下三种方法。
(1)电阻关系。
在串联电路中电阻的关系是:R=R1+R2,为了简化方程组,可先计算出变阻器在两种状态下的阻值(用电压表和电流表对应的示数计算,分别是50Ω和15Ω)。
(2)电流关系。
在串联电路中电流处相等,即I=I1=I2。但在本题中只需用与所求量有关的部分,即I=I1。R2的阻值可先求出。
(3)电压关系。
在串联电路中电压的关系是:U=U1+U2,建立的方程组与方程组②相同。
3.表示已知量。
用所求量表示已知量的数值,可将它们组织在一起,从而建立方程组。
(1)表示电流
(2)表示电压
⑥7.2=U-0.48R110=U-0.2R1
由上可知,列方程组的方法很多,列出的方程组形式各异,但每个方程组都可通过数学变形而相通。但解方程组②和⑥要简单一些,因其与另外几个方程组相比,可省去去分母的麻烦。
(二)比例法。
克服思维定势的影响,若将欧姆定律分而用之,即分别利用其中的两个比例关系,反而能更好地体现定律的实质,使解题过程更简洁。
1.电压相同时,电流与电阻成反比。
利用这一反比例关系,一定要注意其前提条件是“电压相同”。分析题意知,电路中只有电源电压(即总电压)不变,因而电流应与总电阻成反比。可先用对应电压、电流值求出R2的阻值。
2.电阻相同时,电流与电压成正比。
同样,利用这一正比例关系,也要注意其前提条件:电阻相同。由题意知,电路中只有定值电阻R1的阻值不变,因而可用“R1中电流与R1两端电压成正比”例方程。
(三)比差法。
在比例法的基础上,能不能再次“由分到合”是很多同学思考的问题。能否由欧姆定律整体使用而求解呢?
仔细推敲欧姆定律内容:当电阻不变时,电流与电压成正比。当电压发生变化时,电流发生相同比例的变化。即电压的差值与电流差值的比值(导体的电阻)是不变的,以下面推导佐证之。
因此,可以用比差法——电压差值和电流差值的比,求出定值电阻,继而求出其他相关量。实际的电路问题,基本上是通过改变开关的状态,或滑动变阻器滑片的位置来改变电阻,从而改变某部分电路的电压和电流,故此方法适用性较强。
本题中电路仅分成两部分,一部分电压增大值就是另一部分电压的减少值,即ΔU1=ΔU2。
纵观三类方法的解题过程,一般来说,比差法较为简洁,为首选方法,其次是比例法,再次是列方程组法。
但它们的理解难度则依次降低,运用比差法则还需经过简单的推导。但我们应不惜“多费一些功夫”,努力理解和使用简单方法,因为我们都懂得“磨刀不误砍柴功”的道理。
二、巧用条件,善用“比”的形式解题
运用“比”的方法解题,可省去很多解方程组的繁琐步骤,提高解题速度。只要巧妙利用问题中的条件,大多数这类问题中构造“比”式是比较容易的。
例2如图2所示,电源电压保持不变,当滑动变阻器的滑片P滑至a端时,电流表的示数是0.6A,当滑片P滑至b端时,电压表的示数是6V,R2的最大阻值是30Ω,求电源电压U和定值电阻R1的值。
分析只要着意从“比”式入手,便可知晓题中条件的应用方法。
1.比例法。
需先计算出滑片P滑至b端时的电流值:
以下可用两种比例关系解题:
2.比差法。
需计算出通过定值电阻R1的电流变化值及两端电压变化值。
ΔI=I-I′=0.6A-0.2A=0.4A。
ΔU=U-(U-U2)=U2=6V。
善于用“比”的形式解题,但不是说每一个问题都一定要用这个方法,因为我们需要通过一定的过程来构造“比”式。若能根据一定关系,直接利用已知条件,列出简单的方程组(如例1中②和⑥方程组),也不失为好方法。
点评在不熟悉最优解题方法的情况 下,要发扬“不管白猫黑猫,抓住老鼠就是好猫”的精神,但也要在一定基础上发扬“卖油翁”熟能生巧的精神。
(责任编辑 覃敬川)
注:“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”