厘清電學(xué)元件本質(zhì) 強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)效果

甘肅 王長才

恒定電流這一章的內(nèi)容在整個高中物理知識體系中相對獨(dú)立，學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)時(shí)間又相對較短，要想達(dá)到較佳的復(fù)習(xí)效果，不妨從厘清電學(xué)元件本質(zhì)入手，結(jié)合部分電路歐姆定律與閉合電路歐姆定律等相關(guān)知識，將實(shí)驗(yàn)問題轉(zhuǎn)化成電路分析問題，既可以大大降低復(fù)習(xí)難度，又強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí)效果。

一、厘清電學(xué)元件的本質(zhì)

1.電表的本質(zhì)

在研究電表改裝時(shí)我們認(rèn)識到，每個電表都有三個重要參數(shù)，即內(nèi)阻、電壓量程和電流量程，通過其中任意兩個就可以求得第三個。所以，在不知道電表具體內(nèi)阻的情況下，可將電流表理解為能夠測量通過其電流大小的未知小電阻；將電壓表理解為能測量其兩端電壓的未知大電阻，這時(shí)僅能測出電流或電壓這一種物理量。如果準(zhǔn)確知道電表內(nèi)阻的大小，則兩種電表均能理解成既能測量通過其電流，又能測量出其兩端電壓的已知電阻，這時(shí)電流表、電壓表之間的界限就沒有那么明確了。不管是哪種電表，在接入電路后，均可由已知的內(nèi)阻和測量的物理量，根據(jù)部分電路歐姆定律，得到第三種物理量。

2.電源的本質(zhì)

實(shí)驗(yàn)中電源的內(nèi)阻通常不能忽略，可以將其理解為既能提供電能、升高電勢，又能消耗電能、降低部分電勢的未知小電阻r。所以，在給電源串聯(lián)電阻R0時(shí)，往往可以將這一電阻等效到電源內(nèi)阻上去，即等效內(nèi)阻為r+R0。

3.二極管的本質(zhì)

二極管的單向?qū)щ娦?，我們可以將其理解為正接時(shí)內(nèi)阻可忽略的小電阻(即導(dǎo)線)，和反接時(shí)內(nèi)阻接近無窮大的大電阻(即斷路)。

4.電容器的本質(zhì)

通過電容器充、放電時(shí)電路中的電流由大到小直至為零的規(guī)律，可以將其理解為在充電和放電時(shí)，內(nèi)阻持續(xù)增大的變化電阻；充、放電完畢后，內(nèi)阻為無窮大的大電阻(即斷路)。

5.小燈泡的本質(zhì)

由小燈泡銘牌上的數(shù)據(jù)，可得到小燈泡的額定電壓Um、額定電流Im、最大電阻Rm，即可將小燈泡理解成隨電流、電壓增大，溫度升高，電阻也會隨之增大的變化電阻。

由上述分析可知，不考慮各電學(xué)元件的其他功能，僅保留其電阻的特性，我們可以將電學(xué)實(shí)驗(yàn)所涉及的元件，理解為具有各種特性的電阻，從而大大降低思維壓力，提高復(fù)習(xí)效果。

二、厘清電學(xué)元件基本組合的本質(zhì)

1.電流表內(nèi)、外接法的本質(zhì)

圖1

2.限流式和分壓式電路的本質(zhì)

不管是限流式還是分壓式電路，滑動變阻器都是服務(wù)(保護(hù))待測電路的。

圖2

如圖2右圖所示，分壓式電路的本質(zhì)為待測電阻R和滑動變阻器右側(cè)部分RaP并聯(lián)，再與滑動變阻器左側(cè)部分RbP串聯(lián)的混聯(lián)電路，這一電路中待測電阻R的電壓分配特點(diǎn)為0≤UR≤U。如果滑動變阻器的阻值相對待測電阻太大，將滑片從a向b滑動時(shí)，很長的一段距離內(nèi)，右側(cè)并聯(lián)部分R并的阻值將遠(yuǎn)小于左側(cè)串聯(lián)部分RbP的阻值，使待測電阻R不能分得足夠的電壓，滑動變阻器不能很好地服務(wù)于待測電路；反之，如果滑動變阻器阻值遠(yuǎn)小于待測電阻R，將滑片從a向b滑動時(shí)，右側(cè)并聯(lián)部分R并的阻值與左側(cè)串聯(lián)部分RbP的阻值的比值將非常接近aP與bP的長度之比，使實(shí)驗(yàn)便于操作。所以在分壓式電路中，通常選用總阻值R0比待測電阻R阻值小得多的滑動變阻器。

3.電表改裝電路的本質(zhì)

圖3

同理，給表頭串聯(lián)阻值大小為R=(n-1)Rg的電阻，則有R串=nRg，可使串聯(lián)部分的總電壓是表頭兩端電壓的n倍，串聯(lián)部分總電壓的最大值就是表頭兩端電壓最大值Ug的n倍，即量程擴(kuò)大為原來的n倍，如圖3右圖所示。

需要強(qiáng)調(diào)的是，改裝前、后的電表均可得到電阻、電壓、電流這三種物理量。

三、常見實(shí)驗(yàn)電路的本質(zhì)

1.測量電池電動勢和內(nèi)電阻電路的本質(zhì)

結(jié)合電源和電流表內(nèi)外接法的本質(zhì)，可以將電池理解成未知小電阻，所以圖4中的左圖可以理解為相對電源的外接電路，右圖可以理解為相對電源的內(nèi)接電路。在電流表內(nèi)阻未知的情況下，為減小誤差，左圖更適合測量未知小電阻，右圖則因測量的是電源內(nèi)阻r和電流表內(nèi)阻RA之和，使測量值的誤差太大，所以通常采用左圖的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但如果已知電流表的內(nèi)阻，則通常采用右圖的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，只需將產(chǎn)生誤差的因素RA減去，即r=r測-RA，得到?jīng)]有系統(tǒng)誤差的電源內(nèi)阻r的阻值。

圖4

2.半偏法測量電表內(nèi)阻電路的本質(zhì)

圖5

3.歐姆表電路的本質(zhì)

如圖6所示，結(jié)合電源和電表的本質(zhì)，可將歐姆表看成能提供電流，內(nèi)阻為R中(因?yàn)榧t黑表筆短接時(shí)，電表達(dá)到滿偏，設(shè)歐姆表內(nèi)阻為R內(nèi)，當(dāng)紅黑表筆之間接的電阻R外與歐姆表的內(nèi)阻R內(nèi)相等時(shí)，電表恰好半偏，此時(shí)R內(nèi)=R外=R中)，可直接讀出外接電阻和內(nèi)阻阻值的功能型串聯(lián)電路。如果將其滿偏電流設(shè)為Ig，外接電阻為R外時(shí)的實(shí)際電流設(shè)為I，根據(jù)閉合電路歐姆定律，總有I∶Ig=R中∶(R中+R外)，又因?yàn)橹羔樒D(zhuǎn)角度θ∝I，則歐姆表指針的偏轉(zhuǎn)角度θ與電路中的總電阻(R中+R外)成反比。

圖6

所以不管是用歐姆表測量電阻，還是用其探測黑箱中的元件，都可以根據(jù)指針偏轉(zhuǎn)角度變化，來調(diào)整歐姆擋的擋位或分析出黑箱中的元件。

四、透過電路本質(zhì)研究實(shí)驗(yàn)問題

厘清各電學(xué)元件、電學(xué)元件基本組合、常見實(shí)驗(yàn)電路的本質(zhì)后，分析電學(xué)實(shí)驗(yàn)問題就會輕松許多。以2021年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試(全國甲卷)第23題為例，如圖7所示，可以按照如下步驟突破此題(題干略)：

圖7

1.厘清各電學(xué)元件

由小燈泡(額定電壓2.5 V，額定電流0.3 A)，可知其Um=2.5 V，Im=0.3 A，Rm≈8.3 Ω；由電壓表(量程300 mV，內(nèi)阻300 Ω)，可知其滿偏電壓UV=0.3 V，滿偏電流IV=0.001 A，內(nèi)阻RV=300 Ω；由電流表(量程300 mA，內(nèi)阻0.27 Ω)，可知其滿偏電壓UA=0.081 V，滿偏電流IA=0.3 A，內(nèi)阻RA=0.27 Ω。

小燈泡：隨流過小燈泡電流的增加，溫度升高，其燈絲的電阻一定增大。

2.厘清各電學(xué)元件之間的關(guān)系

從電路的整體結(jié)構(gòu)可知，此為分壓式電路，故閉合開關(guān)前，滑動變阻器的滑片要置于a端，要保證與滑動變阻器左端并聯(lián)部分兩端的電壓從0開始變化。

定值電阻R0為保護(hù)電阻，其必須保證流過電流表的電流在0～0.3 A之間變化，又因除定值電阻R0外，電流表、小燈泡、電阻箱、電壓表組成的電路總阻值約為8.3 Ω，結(jié)合電源電動勢E=6 V，可知保護(hù)電阻不能大于11.7 Ω，故R0應(yīng)選取阻值為10 Ω的定值電阻。

電阻箱R2與電壓表串聯(lián)用于擴(kuò)大電壓表量程。所以要使得電壓表滿量程時(shí)對應(yīng)于小燈泡兩端的電壓為3 V，由電壓表改裝前滿偏電壓UV=0.3 V，可知量程擴(kuò)大為原來的10倍，R2的阻值應(yīng)調(diào)整為(n-1)RV=2 700 Ω。

3.結(jié)合題意及各電學(xué)元件之間的關(guān)系，厘清綜合性問題

當(dāng)流過電流表的電流較小時(shí)，將電阻箱R2的阻值設(shè)置為零，即電壓表改裝之前，改變滑動變阻器滑片的位置，讀取電壓表和電流表的示數(shù)U、I，結(jié)果如圖8所示。此過程中電壓表的最大示數(shù)約為136 mV，小于其滿偏電壓UV=0.3 V，說明電路安全有保障。那么，由圖8可知，當(dāng)流過電流表的電流為10 mA時(shí)，電壓表的示數(shù)為7 mV，小燈泡與電壓表的并聯(lián)電路阻值為0.7 Ω，遠(yuǎn)小于電壓表內(nèi)阻RV=300 Ω，故小燈泡的電阻為0.7 Ω(保留1位有效數(shù)字)。

圖8

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

五、總結(jié)

電學(xué)實(shí)驗(yàn)問題，就是各種具有某種特性的“電阻”串并聯(lián)后的集合體，只要我們厘清各“電阻”自身的特性，厘清這些“電阻”基本組合及常見組合的電路功能，并且在面對實(shí)際問題時(shí)也按照這樣的思路分析，在熟知閉合電路中各物理量之間關(guān)系的情況下，絕大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)問題就可以迎刃而解。