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欧姆定律是电学中的重要定律,这一定律是由两个重要实验得出的,一个是探究“电流与电压的关系”,一个是探究“电流与电阻的关系”。下面针对第二个实验通过两道中考题进行解读,以帮助同学们从中受到启发,领悟内涵。
例1(2020·山东·青岛)如图1,在探究电流与电阻的关系时,小明连接的实验电路如图甲所示。
[实验次数 1 2 电阻R/Ω 5 10 电流I/A 0.40 0.20 ]
图1
(1)闭合开关前,应将滑动变阻器的滑片置于最 端。
(2)闭合开关后,发现电流表示数为零,电压表的示数如图乙所示,为 V;改变滑动变阻器滑片的位置,两电表指针的位置不变,若电路中有一处故障,可能是 (选填序号)。
①电流表短路 ②电压表短路 ③导线a断路 ④导线b断路
(3)排除电路故障后,小明先后用5 Ω、10 Ω的定值电阻进行实验。实验中,通过 控制定值电阻两端的电压不变,得到的实验数据如上表。小明据此得出结论:电流与电阻成反比。请指出实验存在的问题或需要改进的地方 (写出一条即可)。
解析:(1)为了保护电路,闭合开关前,应将滑动变阻器的滑片置于阻值最大处,即最右端。
(2)电压表所接量程是0~3 V,分度值是0.1 V,指针偏转的小格数是29个,则其示数为2.9 V。闭合开关后,发现电流表示数为零,電压表的示数接近电源电压,改变滑动变阻器滑片的位置,两电表指针的位置不变,故障可能为电阻R断路或导线a断路,所以应选③。
(3)实验中是通过调节滑动变阻器控制定值电阻两端的电压不变。为了寻找普遍规律,应进行多次实验,因此本实验还需换不同的定值电阻进行多次测量,使实验结论具有普遍性,另外小明得出的结论没有“电压一定”这一前提。
答案:(1)右 (2)2.9 ③ (3)调节滑动变阻器 换不同阻值的定值电阻多次实验(结论缺少“电压一定”这一前提)
点评:电流与电压和电阻都有关,探究电流与电阻的关系时应控制定值电阻两端的电压不变,多次改变电阻,记录电流值,从而寻找电流与电阻之间的普遍规律。实验的方法是控制变量法,实验结论也要体现控制变量,即实验结论要强调“电压一定”。
例2(2020·贵州·黔东南)如图2,某学习小组在“探究通电导体中的电流与电阻的关系”实验中,连接了如图甲所示的电路。(电源电压保持4.5 V不变)
(1)用笔画线代替导线将图甲实物电路连接完整。(要求:滑动变阻器的滑片P向左移动时,电路中电流变大;导线不得交叉)
(2)连接好电路,闭合开关,发现电压表示数等于电源电压,电流表有示数,移动滑片,电表示数不变,则故障为滑动变阻器R′ 。
(3)探究通电导体中的电流与电阻的关系实验要在电压一定时进行,图乙是小组根据测得的实验数据绘制的电流I随电阻R变化的图象。由图象可知R两端的电压为 V;当 R的电阻由5 Ω更换为10 Ω时,闭合开关后,为使R两端的电压 (选填“改变”或“不变”),滑动变阻器的滑片应向 (选填“左”或“右”)端滑动;若实验中R的阻值分别是5 Ω、10 Ω、15 Ω、20 Ω、25 Ω,为了保证完成实验,则滑动变阻器的阻值至少是 Ω。
解析:(1)滑动变阻器的滑片P向左移动时,电路中电流变大,即滑动变阻器接入电路的阻值变小,所以要将滑动变阻器左下的接线柱接入电路,可以接电阻R右端接线柱,也可以接电压表“15”接线柱,如图3所示。
(2)闭合开关,发现电压表示数等于电源电压,则滑动变阻器两端的电压为零,电流表有示数,移动滑片,电表示数不变,则此时滑动变阻器没有起到改变连入电路中电阻的作用,所以故障为滑动变阻器R′短路。
(3)由图乙可知R两端的电压为U = IR = 0.6 A × 5 Ω = 3 V,探究电流与电阻的关系时应控制定值电阻两端电压不变,根据串联电路电压的规律可知,应增大滑动变阻器分得的电压,由串联电路分压原理,可知应增大滑动变阻器连入电路中的电阻,所以滑片应向右端移动,使电压表的示数仍为3 V。根据串联电路电压的规律,滑动变阻器分得的电压U滑 = 4.5 V - 3 V = 1.5 V,滑动变阻器分得的电压为电压表示数的0.5倍,根据串联电路分压原理,当接入25 Ω电阻时,滑动变阻器连入电路中的电阻为R滑 = 0.5 × 25 Ω = 12.5 Ω,故为了完成整个实验,应该选取最大阻值至少为12.5 Ω的滑动变阻器。
答案:(1)如图3所示 (2)短路 (3)3 不变 右 12.5
点评:探究电流与电阻的关系的实验中,在更换完电阻后要调节滑动变阻器的滑片使定值电阻两端电压不变。由于本题中定值电阻R和滑动变阻器R′串联,则有[UU′=RR′],由此可知,实验中若要控制U不变,则U′也应不变,当电阻R由阻值小的电阻换成阻值大的电阻后,滑动变阻器R′接入电路中的阻值也应往大调。值得注意的是,在上述操作过程中,若电压表接的是小量程且换用的定值电阻阻值过大,容易造成定值电阻两端电压过大从而损坏电压表,所以正确的操作应是断开开关,定值电阻换用阻值更大的电阻,将滑动变阻器的滑片调至阻值最大处,闭合开关,再调节滑动变阻器的滑片使电压表示数保持不变,记录电流表示数。
例1(2020·山东·青岛)如图1,在探究电流与电阻的关系时,小明连接的实验电路如图甲所示。
[实验次数 1 2 电阻R/Ω 5 10 电流I/A 0.40 0.20 ]
图1
(1)闭合开关前,应将滑动变阻器的滑片置于最 端。
(2)闭合开关后,发现电流表示数为零,电压表的示数如图乙所示,为 V;改变滑动变阻器滑片的位置,两电表指针的位置不变,若电路中有一处故障,可能是 (选填序号)。
①电流表短路 ②电压表短路 ③导线a断路 ④导线b断路
(3)排除电路故障后,小明先后用5 Ω、10 Ω的定值电阻进行实验。实验中,通过 控制定值电阻两端的电压不变,得到的实验数据如上表。小明据此得出结论:电流与电阻成反比。请指出实验存在的问题或需要改进的地方 (写出一条即可)。
解析:(1)为了保护电路,闭合开关前,应将滑动变阻器的滑片置于阻值最大处,即最右端。
(2)电压表所接量程是0~3 V,分度值是0.1 V,指针偏转的小格数是29个,则其示数为2.9 V。闭合开关后,发现电流表示数为零,電压表的示数接近电源电压,改变滑动变阻器滑片的位置,两电表指针的位置不变,故障可能为电阻R断路或导线a断路,所以应选③。
(3)实验中是通过调节滑动变阻器控制定值电阻两端的电压不变。为了寻找普遍规律,应进行多次实验,因此本实验还需换不同的定值电阻进行多次测量,使实验结论具有普遍性,另外小明得出的结论没有“电压一定”这一前提。
答案:(1)右 (2)2.9 ③ (3)调节滑动变阻器 换不同阻值的定值电阻多次实验(结论缺少“电压一定”这一前提)
点评:电流与电压和电阻都有关,探究电流与电阻的关系时应控制定值电阻两端的电压不变,多次改变电阻,记录电流值,从而寻找电流与电阻之间的普遍规律。实验的方法是控制变量法,实验结论也要体现控制变量,即实验结论要强调“电压一定”。
例2(2020·贵州·黔东南)如图2,某学习小组在“探究通电导体中的电流与电阻的关系”实验中,连接了如图甲所示的电路。(电源电压保持4.5 V不变)
(1)用笔画线代替导线将图甲实物电路连接完整。(要求:滑动变阻器的滑片P向左移动时,电路中电流变大;导线不得交叉)
(2)连接好电路,闭合开关,发现电压表示数等于电源电压,电流表有示数,移动滑片,电表示数不变,则故障为滑动变阻器R′ 。
(3)探究通电导体中的电流与电阻的关系实验要在电压一定时进行,图乙是小组根据测得的实验数据绘制的电流I随电阻R变化的图象。由图象可知R两端的电压为 V;当 R的电阻由5 Ω更换为10 Ω时,闭合开关后,为使R两端的电压 (选填“改变”或“不变”),滑动变阻器的滑片应向 (选填“左”或“右”)端滑动;若实验中R的阻值分别是5 Ω、10 Ω、15 Ω、20 Ω、25 Ω,为了保证完成实验,则滑动变阻器的阻值至少是 Ω。
解析:(1)滑动变阻器的滑片P向左移动时,电路中电流变大,即滑动变阻器接入电路的阻值变小,所以要将滑动变阻器左下的接线柱接入电路,可以接电阻R右端接线柱,也可以接电压表“15”接线柱,如图3所示。
(2)闭合开关,发现电压表示数等于电源电压,则滑动变阻器两端的电压为零,电流表有示数,移动滑片,电表示数不变,则此时滑动变阻器没有起到改变连入电路中电阻的作用,所以故障为滑动变阻器R′短路。
(3)由图乙可知R两端的电压为U = IR = 0.6 A × 5 Ω = 3 V,探究电流与电阻的关系时应控制定值电阻两端电压不变,根据串联电路电压的规律可知,应增大滑动变阻器分得的电压,由串联电路分压原理,可知应增大滑动变阻器连入电路中的电阻,所以滑片应向右端移动,使电压表的示数仍为3 V。根据串联电路电压的规律,滑动变阻器分得的电压U滑 = 4.5 V - 3 V = 1.5 V,滑动变阻器分得的电压为电压表示数的0.5倍,根据串联电路分压原理,当接入25 Ω电阻时,滑动变阻器连入电路中的电阻为R滑 = 0.5 × 25 Ω = 12.5 Ω,故为了完成整个实验,应该选取最大阻值至少为12.5 Ω的滑动变阻器。
答案:(1)如图3所示 (2)短路 (3)3 不变 右 12.5
点评:探究电流与电阻的关系的实验中,在更换完电阻后要调节滑动变阻器的滑片使定值电阻两端电压不变。由于本题中定值电阻R和滑动变阻器R′串联,则有[UU′=RR′],由此可知,实验中若要控制U不变,则U′也应不变,当电阻R由阻值小的电阻换成阻值大的电阻后,滑动变阻器R′接入电路中的阻值也应往大调。值得注意的是,在上述操作过程中,若电压表接的是小量程且换用的定值电阻阻值过大,容易造成定值电阻两端电压过大从而损坏电压表,所以正确的操作应是断开开关,定值电阻换用阻值更大的电阻,将滑动变阻器的滑片调至阻值最大处,闭合开关,再调节滑动变阻器的滑片使电压表示数保持不变,记录电流表示数。