一道电学竞赛题的思维拓展

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  课堂教学应该站在多角度和多元化的立场上,看待问题应当从多角度入手,处理问题的方式也更应多样化,从而提高学生分析问题的能力和汲取知识的涵养;对于物理知识的把握应该多元化,而不是单一的思维定势,我们需要接收更多元化的知识、不断开阔自身的视野,方能应对复杂多变的世界。教师培养学生的创新性,对学生的思维拓展可以从习题的一题多解开始,站在不同的角度,采取不同的方式,选用不同的知识去思[JP3]考、处理和理解,往往会碰撞出别样的火花,产生意想不到的效果。[JP]
  本文介绍2011年湖州市第九届诺贝尔杯九年级科学竞赛试题卷中的第22题,笔者根据自身经验,分享了这道习题的三种解法,以提供大家参考。
  例题在图1甲所示的电路中,电源电压保持不变。将滑动变阻器R的滑片P由a端移到b端,电压表V1、V2的示数与电流表A示数的变化关系图线如图1乙所示。根据图线可以知道,滑动变阻器R的最大阻值为[CD#3]Ω,定值电阻R2的阻值为[CD#3]Ω。
  [TP5CW97。TIF,BP#]
  1常规法——巧用U-I图线关系,用部分电路欧姆定律求解
  [TP5CW98。TIF,Y#]
  U-I图线Ⅰ表示R1两端的电压与电流的变化关系,U-I图线Ⅱ表示RP两端的电压与电流的变化关系。
  当滑动变阻器R的P端滑至b端时,滑动变阻器R被短路,由U-I图线Ⅰ中的A点可知
  I= 1 A,U1=4 V,
  由部分电路欧姆定律I=U/R,可得R1=4 Ω。
  U=I(R1 R2),
  即U=1 A×(4 Ω R2)[JY](1)
  B点是U-I图线Ⅰ和Ⅱ的交叉点,当I=0。6 A时,
  RP=R1=4 Ω,
  U=I(R1 R2 RP),
  即0。6 A×(4 Ω 4 Ω R2)[JY](2)
  结合(1)式和(2)式可得U=6 V,R2=2 Ω。
  当滑动变阻器R的P端滑至a端时,RP达到最大,由C点可知I=0。4 A,
  U=0。4 A×(4 Ω 4 Ω RPmax)[JY](3)
  RPmax=9 Ω。
  2数形结合法——巧用三角形之比例关系求解
  [TP5CW99。TIF,BP#]
  需要注意的是图线Ⅰ明显形同正比例函数图像,图线Ⅱ明显形同一次函数图像,那么在求解B点坐标的过程中,为什么用的是三角形之比例关系,而不用一次函数的性质呢?因为函数图像坐标的x轴和y轴每一小格代表的距离大小是相等的,而如图U-I图线的U轴和I轴的每一小格代表的大小是不等的,故不能按照函数关系式来求解,若想根据函数关系式求解,必须将图2的U-I图线做相应的转化,使其U轴和I轴的每一小格代表的大小要相等。
  所以在△ABC中,满足[SX(]AE[]AC[SX)]=[SX(]DE[]BC[SX)],即BC=[SX(]AC·DE[]AE[SX)]=3。6。
  在U-I图线中,B点的横坐标I=0。4 A,纵坐标U=3。6 V,则B点对应的电阻R=9 Ω,该电阻表示的含义是滑动变阻器R的最大阻值RPmax=9 Ω。
  R2可由方法1中的(1)式和(2)式联立求得。
  3等效法——引入电源电动势和内阻的概念,用闭合电路欧姆定律求解
  闭合电路欧姆定律告诉我们,I=[SX(]E[]R r[SX)],其变式有E=I(R r)=U Ir,首先将电路图4甲等效转化成电路图4乙,引入电源电动势r=R1 R2和内阻r,内阻r=R1 R2,电压表V1拆除,保留电压表V2,其U-I图线如图5中的图线Ⅱ所示,保留图线Ⅰ可辅助求得R1=4 Ω。
  [TP5CW100。TIF,BP#]
  [TP5CW101。TIF,Y#]
  为了求解电源电动势E,可将图线Ⅱ中的线段延长,交纵轴于a点,横轴交于b点,因为短路时I=0,此时电源两端的电压就等于电源电动势的大小,即Ua=E=6 V。
  设∠abO用α表示,b点表示路端电压U=0,此时电路出现短路现象,短路电流用Ib表示,因此满足关系式
  r=R1 R2=[SX(]E[]Ib[SX)]=tanα,
  即r=R1 R2=6 V,(R1=4 Ω)
  易得R2=2 Ω。
  RPmax=9 Ω可结合解法1中的(3)式求得。
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