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巧用定值電阻解決實(shí)驗(yàn)問(wèn)題

2021-04-12 03:16:55馮松燕
關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)方法物理教學(xué)

【摘 要】定值電阻是物理電學(xué)部分的常見(jiàn)元件,在實(shí)驗(yàn)中有著廣泛的應(yīng)用。教學(xué)中為使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)定值電阻的重要作用,提高其分析物理實(shí)驗(yàn)的能力,可結(jié)合學(xué)生所學(xué)積極創(chuàng)設(shè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題情境,為學(xué)生展示定值電阻在實(shí)驗(yàn)中的巧用,有助于其以后相關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)操作。

【關(guān)鍵詞】定值電阻;物理教學(xué);實(shí)驗(yàn)方法

從整體上來(lái)看,定值電阻在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下方面:其一,保護(hù)電路,避免實(shí)驗(yàn)中燒壞電路以及電學(xué)元件;其二,改裝電表,更好地滿足電表測(cè)量要求;其三,充當(dāng)電表,通過(guò)歐姆定律更好地求解某一電學(xué)參數(shù);其四,優(yōu)化電路,進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果精度。授課中為使學(xué)生親身體會(huì)定值電阻在實(shí)驗(yàn)中的巧用,應(yīng)圍繞定值電阻的不同作用,設(shè)計(jì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題,要求學(xué)生思考解答。

1? ?巧用定值電阻,發(fā)揮保護(hù)作用

運(yùn)用如圖1所示的電路測(cè)定一節(jié)干電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻,電池的內(nèi)阻較小,為防止在調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器時(shí)造成短路,需要使用定值電阻進(jìn)行保護(hù)[1]。除電池、開(kāi)關(guān)和導(dǎo)線外還可提供如下實(shí)驗(yàn)器材:①電流表(量程為0.6A);②電壓表(量程為3V);③定值電阻(阻值為1Ω,額定功率為5W);④定值電阻(阻值為10Ω,額定功率為10W);⑤滑動(dòng)變阻器(阻值范圍為0~10Ω,額定電流為2A);⑥滑動(dòng)變阻器(阻值范圍為0~100Ω,額定電流為1A)。

(1)要想完成實(shí)驗(yàn),定值電阻 R0 應(yīng)選擇_____,滑動(dòng)變阻器 R 應(yīng)選擇_____。

(2)若繪制的 U-I 圖像和 I 軸交于0.8,和 U 軸交于1.5,則干電池的電動(dòng)勢(shì) E =____,內(nèi)阻 r =____。

分析:一節(jié)干電池的電動(dòng)勢(shì)在1.5V左右,而且內(nèi)阻較小,因此為保護(hù)電路而選擇的定值電阻 R0 的阻值應(yīng)和電源內(nèi)阻 r 接近,即定值電阻選擇③,滑動(dòng)變阻器選擇⑤。U-I 圖像和 U 軸的交點(diǎn)數(shù)值代表干電池的電動(dòng)勢(shì),即 E =1.5V,而其斜率為 R0+r 的和,這樣容易得到R0+r=1.5V/0.8A=1.875Ω,則 r =0.875Ω[2]。

2? ?巧用定值電阻,改裝相關(guān)電表

測(cè)量某電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻,現(xiàn)提供如下器材:

①待測(cè)電源(電動(dòng)勢(shì)約1.5V,內(nèi)阻約2Ω);②靈敏電流計(jì)(量程為200μA,內(nèi)阻為99Ω);③電阻箱(阻值范圍為0~999.9Ω);④定值電阻 R1=1Ω ;⑤定值電阻 R2=10Ω ;⑥定值電阻 R3=100Ω;⑦開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線若干。要求測(cè)量的數(shù)據(jù)盡可能準(zhǔn)確,電阻箱的阻值變化范圍在100~900Ω ,誤差盡量小[3]。

(1)根據(jù)提供的器材畫(huà)出電路設(shè)計(jì)圖,連接好電路后,改變電阻箱的阻值,記錄多組電流計(jì)的讀數(shù)I(以A為單位)和電阻箱的阻值。

(2)針對(duì)多組 I、R 值,若使用直線處理數(shù)據(jù),用表示縱坐標(biāo),則橫坐標(biāo)應(yīng)為_(kāi)___;若圖線的斜率為 k ,縱軸截距為 a ,則該電源的電動(dòng)勢(shì) E =___, r =_____。(用 k、a 及已知量表示)分析:電源的電動(dòng)勢(shì)約為1.5V,若要求電阻箱的最小阻值為100Ω,則電路中的最大電流 I==15mA,該值大于靈敏電流表的量程,因此,需要運(yùn)用定值電阻,對(duì)電流計(jì)進(jìn)行改裝。為滿足實(shí)驗(yàn)要求可將電流計(jì)的量程擴(kuò)大100倍,剛好達(dá)到20mA。根據(jù)電表的改裝原理可知需要并聯(lián)的定值電阻R===1Ω,因此可選擇定值電阻R1改裝電流計(jì)[4]。對(duì)應(yīng)的電路圖如圖2所示。

圖2改裝后的電路電阻 R改=0.99Ω ,由閉合電路歐姆定律可知 100I(R+r+0.99)=E ,整理得到=+,因此橫坐標(biāo)為 R ,進(jìn)而容易得出 E=,r=(-0.99)。

3? ?巧用定值電阻,充當(dāng)相關(guān)電表

給出這些實(shí)驗(yàn)器材:①待測(cè)電壓表 V(量程為0~2V,內(nèi)阻約為4kΩ);②電流表 A(量程為0~1.2mA,內(nèi)阻約500Ω);③定值電阻 R1、R2、R3 ,阻值分別為 4000Ω 、10kΩ、15kΩ;④電源 E (電動(dòng)勢(shì)約2.4V,不計(jì)內(nèi)阻);⑤導(dǎo)線以及開(kāi)關(guān)若干。要求測(cè)量電壓表 V 的內(nèi)阻大小,且要求電表示數(shù)超過(guò)其量程的一半。

(1)畫(huà)出實(shí)驗(yàn)電路圖。

(2)若電壓、電流表讀數(shù)分別為 U、I ,則電壓表電阻 RV =___。

分析:測(cè)量電壓表內(nèi)阻,為防止電壓表內(nèi)阻超過(guò)最大量程且能測(cè)量經(jīng)過(guò)電壓表的電流,可使用定值電阻。經(jīng)檢驗(yàn) R1 的阻值滿足電表示數(shù)超過(guò)量程一般的要求[5]。設(shè)計(jì)的電路圖如圖3所示。則由歐姆定律可知 RV =。

4? ?巧用定值電阻,提高實(shí)驗(yàn)精度

為測(cè)量一電阻約200Ω定值電阻 Rx 的精確值,提供如下實(shí)驗(yàn)器材:①電壓表 V(量程為0~5V,內(nèi)阻約3kΩ);②電流表 A(量程為0~300mA,內(nèi)阻 RA=10Ω);③定值電阻 R1(阻值為20Ω);④定值電阻 R2(阻值為400Ω);⑤滑動(dòng)變阻器 R3(阻值范圍為0~5Ω,額定電流為2A);⑥滑動(dòng)變阻器 R4(阻值范圍為0~1000Ω,額定電流為1A);⑦電源 E(E=6V,內(nèi)阻不計(jì))。

(1)若繪制的電路圖如圖4所示,則定值電阻 R 應(yīng)選擇____,滑動(dòng)變阻器應(yīng)選擇_____。若某次測(cè)量電壓表的讀數(shù)為 U ,電流表的讀數(shù)為 I ,則 Rx=____ 。

分析:為提高測(cè)量精度,電流表讀數(shù)應(yīng)達(dá)到量程的一半以上,則 Rx 和 R 并聯(lián)的電阻的阻值應(yīng)小于=33.3Ω。根據(jù)電路并聯(lián)知識(shí)進(jìn)行計(jì)算后可知使用定值電阻 R1 比較合適,為方便調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值應(yīng)選擇R3。待測(cè)電阻兩端的電壓為URx=U-IRA,電流為 IRx=I-,兩式聯(lián)立得到 Rx=[6]。

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,為深化學(xué)生對(duì)定值電阻的認(rèn)識(shí),提高其運(yùn)用定值電阻解決實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的靈活性,教師既要為學(xué)生展示定值電阻在不同實(shí)驗(yàn)情境中的具體應(yīng)用,使學(xué)生更好地理解相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理,又要組織學(xué)生開(kāi)展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作,使學(xué)生能學(xué)以致用,并在應(yīng)用的過(guò)程中不斷發(fā)現(xiàn)與彌補(bǔ)不足,夯實(shí)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí),促進(jìn)學(xué)生提升物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰7]。

【參考文獻(xiàn)】

[1]徐雪芬.構(gòu)建物理模型,提高思維能力——以“多種方法測(cè)量定值電阻”一課為例[J].文理導(dǎo)航(中旬),2020(9).

[2]王漢雄.定值電阻在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的用途[J].試題與研究,2019(24).

[3]張守峰.發(fā)現(xiàn)電學(xué)定值 巧解串聯(lián)電路題[J].數(shù)理化解題研究,2019(8).

[4]季培富,孟亞男.定值電阻在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的使用[J].山西教育(教學(xué)),2019(3).

[5]李生金.巧妙借助定值電阻解決電學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題[J].教學(xué)考試,2019(4).

[6]卜琴,張正太.關(guān)于“歐姆定律建構(gòu)、定值電阻測(cè)量”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].中學(xué)物理,2018(18).

[7]吳士康.淺談“一定電壓下,電流與電阻的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)突破技巧[J].中學(xué)物理,2016(4).

【作者簡(jiǎn)介】

馮松燕(1985~),女,滿族,內(nèi)蒙古錫林郭勒盟人,本科,講師。研究方向:中職電子電工方向和高中物理方向。

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