关于“串联电路中滑动变阻器电功率变化范围”的探讨

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  学完人教版初中物理第18章《电功率》后,在评讲作业时遇到如下习题:如图1电源电压保持不变。将开关S闭合,滑动变阻器的滑片P向左滑动,电路中的变化情况是
  A.电压表的示数变小
  B.R2消耗的功率变小
  C.电路消耗的总功率变大
  D.电压表和电流表示数的比值不变
  根据解答电路图的一般步骤:首先简化电路,确定电路连接方式;然后观察电流表、电压表测量哪些用电器的电流和电压,根据串并联电路的规律及欧姆定律进行解答和计算。由图1可知,电路为串联电路,根据“去源法”(去掉电源,电压表和哪个电器形成闭合电路,电压表即测哪个用电器两端的电压),可知电压表测R1两端电压。由串联电路规律,学生很容易判断出,滑动变阻器的滑片P向左滑动,R1电阻变大,串联分压,电压之比等于电阻之比,电压表示数变大;由P=UI可知,P向左滑动R1变大,电源电压不变,电路中电流变小,R2两端的电压变小,R2消耗的功率和电路消耗的总功率均变小,电压表和电流表示数的比值即为R1的阻值变大。所以容易选出正确选项B。善于思考问题的同学提出,在滑片移动的过程中,R2消耗的功率和电路消耗的总功率均变小,R1消耗的电功率如何变化?有些同学说变小,有些同学说变大,还有说不变的。根据P=UI,U变大,I变小,涉及两个变量,无法判断,或者根据P=I2R,I变小,R变大,或者由P=P总-P2,P总和P2都变小,同样不能判断滑动变阻器R1电功率变化的情况。滑动变阻器在移动过程中消耗的电功率是不是真的无法判断了?许多同学存在疑惑,因为要涉及相关的数学知识,难度较大,为了不让同学们失望,笔者设计出了如下的题目。
  例题:在如图2所示的电路中,电源电压为U=6V且恒定,定值电阻R1=lOΩ与最大值为20Ω的变阻器R2串联,求开关闭合后,滑片P从a端滑到b端的过程中,R2的功率的变化范围?
  分析:由图可知R1和R2串联,当滑动变阻器的滑片在最左端时,R2电阻为零,因为电路是纯电阻电路,由P=I2R得,R2的最小功率为零。当滑动变阻器的滑片向右移动,R2接入电路阻值变大,电路中总电阻变大,通过R2电流减小,R2两端电压增大,如果根据公式P=UI,因为有两个变量,一个变大,一个减小,不能直接求出P的值。利用公式P=I2R,也涉及两个变量,一个变大,一个变小。这需要借助数学知识来求出物理的最值问题。
  方法一:当R2接入电路中阻值为R时,电路中电流为I,滑动变阻器的电功率为P2;
  根据:P总=Pl P2即U总I=U1I U2I
  P2=P总-P1 P2=UI-I2R1带入数据得:
  P2=6I-10I2
  P2=-10I2 6I
  可以將电功率P2看作是随电流I变化的二次函数,如图3所示,根据数学知识,在二次函数,判别式△=b2-4ac=36
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