闭合电路动态分析是高中物理的重点、难点,是高考考查的热点.在电路动态变化中,需要抓住不变量,动静结合,以不变应万变.但是很多同学不得要领,难以体会其中奥妙,加之题目灵活多变,学生倍感困难.本文通过两个例题,从三个层次帮助学生澄清模糊的概念,跨越思维障碍,提升综合能力.
一、以静制动分析,电学量的变化情况
例1如***1电路中, 三只灯泡正常发光,电源内阻不可忽略, 当滑动变阻器滑片P向右移动时,下面说法中正确的是
A.变亮的灯只有L2
B. L3亮度不变
C. L1、L3电流大小变化量|ΔI1|、|ΔI3|的大小是|ΔI1|
D. L1、L2电压大小变化量|ΔU1|、|ΔU2|的大小是|ΔU1|
思路及解法按照局部整体局部的顺序,分析局部电阻R的变化回路总电阻R总、总电流I总的变化路端电压U路、各支路电压及电流的变化.如题,RPR总,I总U路,UAB,所以L2变亮.
思维障碍对灯L3电流的判断是难点.因为I2=UABR2,学生会不自觉间将之迁移到对I3的判断中,即I3=UABR3+RP.之后,大部分学生便茫然不知所措,初学者更是如此.
解决策略首先要帮助学生分析原因,而非机械记忆正确的思路方法.对I3=UABR3+RP,分子分母均在变化,UAB,(R3+RP),所以比值的变化无法确定.因此,不妨让分子或分母保持不变,于变化中寻求不变量,以静制动.因为电动势E不变,根据I2=UABR2,R2不变,得I2,I总=ER总,E不变,得I总.
又因为I总=I2+I3且该式恒成立,所以I3减小.这也是按局部(对I2的判断)整体(对I总的判断)局部(对I3的判断)思路分析I3变化的原因.A、B选项中,A正确,B错误.
例1的C、D选项,要求分析电学量的变化量,这是对电路分析较高层次的要求.对动态电路进行分析,正确判断各物理量的变化是前提;抓住不变的物理量以及物理量之间的关系,是解决问题的关键.
对于电流来说,于变化中,不变的关系是I总=I2+I3.
所以ΔI总减=ΔI3减-ΔI2增,即|ΔI1|
拓展若在干路上增加一个定值电阻R,各物理量及其变化量之间的关系又如何呢?这里需要学生灵活变通的是电压变化量的关系,其关系为 .若学生能领悟到“以静制动”的奥妙,很快便能准确回答.或者,此时可将定值电阻R视为内阻的一部分,这是更深刻的思维水平层次.
掌握好以上要领之后,再来看一类学生易错的题型,如下例题2.
二、以静制动分析物理量的变化率
例2如***2所示电路,闭合开关S,当滑动变阻器的滑动触头P向下滑动时,四个理想电表的示数都发生变化,电表的示数分别用I、U1、U2和U3表示,电表示数变化量大小分别用ΔI、ΔU1、ΔU2和ΔU3表示,下列比值正确的是
A.U1I不变,ΔU1ΔI不变
B.U2I变大,ΔU2ΔI变大
C.U2I变大,ΔU2ΔI不变
D.U3I变大,ΔU3ΔI不变
本题要求学生在对电路进行动态分析的基础上,分析电学量的变化率,这是电路动态分析中最高层次的要求.
解决策略首先澄清概念,让学生明确两点:(1)对于定值电阻R,其伏安特性曲线为一条过原点的直线,UI=ΔUΔI.(2)对于变化的电阻R,以课本中(人教版选修3-1)描绘小灯泡的伏安特性曲线为例,其U-I***象如***3.由部分电路欧姆定律可知R=UI,在***象上反映为割线的斜率,如***中虚线a.但UI≠ΔUΔI,ΔUΔI在***象上反映为***线某点切线的斜率,如***中虚线b,很显然二者是不等的.运用到本题中,对定值电阻R1,U1I=ΔU1ΔI =R1,A选项正确.对变化的电阻R2,因为U2I=R2,所以U2I随R2的增大而增大.但ΔU2ΔI≠R2,所以不能认为ΔU2ΔI也变大.B选项错误.
如何判断ΔU2ΔI的变化呢?以静制动,于变化中寻求不变量.虽然R2是变化的,但注意到|ΔU2|=|ΔUR1+r|,且R1+r是不变的,则|ΔU2|ΔI=|ΔUR1+r|ΔI=R+r.同理,U3I=R1+R2≠ΔU3ΔI,但|ΔU3|ΔI=|ΔUr|ΔI=r,C、D选项均正确.
拓展若在干路中电源旁边再串联定值电阻R,又如何?若学生能掌握解决问题的技巧,也能很快作出回答.
|ΔU2|ΔI=|ΔUR1+R+r|ΔI=R1+R+r,
或者可将(R1+R)视为内阻的一部分,即等效内阻为r′=R1+R+r.同理,|ΔU3|ΔI=|ΔUR+r|ΔI=R+r.
引领学生认真体会动态电路中的变与不变,抓住要领以静制动,那么,学生对闭合电路欧姆定律的理解将会上升到一个新的水平.