２００７年高考“恒定電流”歸類分析
2008-12-31 00:00:00范美萍
物理教學(xué)探討 2008年10期
高考“恒定電流”的重點(diǎn)是閉合電路歐姆定律的應(yīng)用，電功、電熱的計(jì)算， 電阻、電壓和電流的測(cè)量。其中電路分析——包括電阻變化、含電容電路、非純電阻電路等動(dòng)態(tài)分析， 運(yùn)用電路知識(shí)探究聯(lián)系實(shí)際問題已成為考查的熱點(diǎn)， 近幾年設(shè)計(jì)性電學(xué)實(shí)驗(yàn)是每年必考內(nèi)容?！昂愣娏鳌痹囶}涉及面廣，其顯著特點(diǎn)是突出主干知識(shí)，沒有偏題、怪題和難題。對(duì)2007年各地高考卷中的相關(guān)試題進(jìn)行歸類分析，尋找命題規(guī)律，探究解題技巧，有利于明確復(fù)習(xí)方向。2007年高考“電路”考查凸現(xiàn)新課改理念， 命題時(shí)注意了能力考查， 側(cè)重以下幾個(gè)方面：
一、考查直流電路的動(dòng)態(tài)分析
例1 （2007年寧夏理綜， 19）在如圖所示的電路中，E為電源電動(dòng)勢(shì)，r為電源內(nèi)阻，R1 和R3 均為定值電阻，R2 為滑動(dòng)變阻器。當(dāng)R2 的滑動(dòng)觸點(diǎn)在a端時(shí)合上開關(guān)S， 此時(shí)三個(gè)電表A1、A2和V的示數(shù)分別為I1、I2 和U，現(xiàn)將R2 的滑動(dòng)觸點(diǎn)向b端移動(dòng)，則三個(gè)電表示數(shù)的變化情況是
A.I1增大， I2不變， U 增大
B.I1減小， I2增大， U 減小
C.I1增大， I2減小， U 增大
D.I1減小， I2不變， U減小
解析 將R2 的滑動(dòng)觸點(diǎn)向b端移動(dòng)，R2接入電路的電阻變小， R1 和R2 并聯(lián)部分的電阻變
小， 并聯(lián)部分的電壓變小， I1減小。由于R1 和R2 并聯(lián)部分的電阻變小， 使全電路總電阻變小， 總電流I 增大， I2 = I - I1， 故I2增大。由于R1 和R2 并聯(lián)部分的電阻變小， 使外電路總電阻變小， 據(jù)外電壓、內(nèi)電壓的分壓關(guān)系，U 減小。 選項(xiàng)B正確。
點(diǎn)評(píng) 本題考查電路的動(dòng)態(tài)分析， 電路的動(dòng)態(tài)分析要針對(duì)不同的電路，選擇歐姆定律、分流關(guān)系、分壓關(guān)系來分析，分析思路是“局部——整體——局部”，掌握變阻器或電路結(jié)構(gòu)變化是分析這類問題的前提。動(dòng)態(tài)直流電路的分析方法：①確定電路的外電阻， 外電阻R總?cè)绾巫兓?。?dāng)外電路的任何一個(gè)電阻增大(或減小)時(shí)， 電路的總電阻一定增大(或減小)。②根據(jù)閉合電路歐姆定律I=ER+r， 確定電路的總電流如何變化。③由U內(nèi) = I r， 確定電源的內(nèi)電壓如何變化; 由U外 = E - U內(nèi)， 確定電源的外電壓如何變化。 ④由部分電路歐姆定律， 確定干路上某定值電阻兩端的電壓如何變化， 確定支路兩端的電壓如何變化以及通過各支路的電流如何變化。
二、考查閉合電路歐姆定律的應(yīng)用
例2 （2007年重慶理綜， 19）汽車電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)車燈會(huì)瞬時(shí)變暗，如圖所示，在打開車燈的情況下，電動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)時(shí)電流表讀數(shù)為10A，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流表讀數(shù)為58A，若電源電動(dòng)勢(shì)為12.5V、內(nèi)阻為0.05Ω， 電流表內(nèi)阻不計(jì)， 則因電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，車燈的電功率降低了( )
A. 35.8W B. 43.2W
C. 48.2 WD. 76.8 W
解析 電動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)時(shí)，U燈 = E - I1r =12.5 - 10×0.05=12V， 電燈功率 P燈=U燈I1=120W。
電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，U燈′ =E-I2r =12.5 - 58×0.05=9.6V， 設(shè)電燈阻值不變，由P=U2R，可得P′=（U′燈U燈）2P燈=（9.612）2×120=76.8 W。
電功率的減少量ΔP=P-P′=43.2W
點(diǎn)評(píng) 本題考查了應(yīng)用閉合電路歐姆定律求解路端電壓及功率問題，要求學(xué)生處理問題時(shí)，能自主探究，排除次要因素影響(燈絲電阻不變)。為考查學(xué)生的審題能力，本題設(shè)置了“陷阱”選項(xiàng)D，題中求電功率“降低了”，而D項(xiàng)為“降低到”。
三、考查電路故障的分析方法
例3 （2007年廣東理科基礎(chǔ)， 14）用電壓表檢查如圖電路中的故障，測(cè)得Uad=5.0V， Ucd =0， Ubc=0， Uab=5.0V， 則此故障可能是( )
A．L斷路B．R斷路
C．R′ 斷路D．S斷路
解析 用電壓表檢查電路時(shí)，如電壓表有示數(shù)，則表明電壓表跨接的部分?jǐn)嗦罚?由Uad=Uab=5.0V， 可以判斷R斷路。
點(diǎn)評(píng) 本題考查了用電壓表檢查電路的方法。電路故障——般是短路或斷路，常見的情況有導(dǎo)線斷芯、燈泡斷絲、燈座短路、電阻內(nèi)部斷路、接觸不良等現(xiàn)象。電路故障的判斷方法：①斷路的判斷。表現(xiàn)為電源電壓不為零而電流為零，用電壓表與電路中逐段并聯(lián)，發(fā)現(xiàn)電壓表指針突然偏大，就可判出斷點(diǎn)位置。②短路的判斷。用電壓表與電源并聯(lián)檢查電源是否正常，再逐段與電路并聯(lián)，若某一電阻上電壓為零，則該電路短路。③分段法。若電路中有故障，可將整個(gè)電路分為幾個(gè)部分，逐一檢查， 運(yùn)用歐姆定律進(jìn)行正向推理， 推理結(jié)果若與題述物理現(xiàn)象不符合，則故障不是發(fā)生在這部分電路；若推理結(jié)果與題述物理現(xiàn)象符合，則故障可能發(fā)生在這部分電路， 直到找出發(fā)生故障的全部可能為止。
四、“科學(xué)探究”能力的考查
例4 （2007年江蘇卷， 12）要描繪某電學(xué)元件(最大電流不超過6mA， 最大電壓不超過7V)的伏安特性曲線， 設(shè)計(jì)電路如圖， 圖中定值電阻R為1kΩ， 用于限流；電流表A 量程為10mA，內(nèi)阻約為5Ω; 電壓表(未畫出)量程為10V，內(nèi)阻約為10kΩ；電源電動(dòng)勢(shì)E為12V，內(nèi)阻不計(jì)。
(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)有兩個(gè)滑動(dòng)變阻器可供選擇：
a. 阻值0～200Ω，額定電流0.3A
b. 阻值0～20Ω，額定電流0.5A
本實(shí)驗(yàn)應(yīng)選用的滑動(dòng)變阻器是_________(填“a”或“b”)
(2)正確接線后，測(cè)得數(shù)據(jù)如下表：
①根據(jù)以上數(shù)據(jù)，電壓表是并聯(lián)在M與__________之間的(填“O”或“P”)。
②根據(jù)以上數(shù)據(jù)，在圖甲上畫出該元件的伏安特性曲線。
(3) 在圖乙上， 畫出待測(cè)元件兩端電壓UMO隨MN 間電壓UMN變化的示意圖(無需數(shù)值)。
解析 (1)b的阻值小，電流大，要超過其額定電流，所以選a。
(2)①由表中數(shù)據(jù)， 可知待測(cè)元件的阻值約幾kΩ， 遠(yuǎn)大于電流表的內(nèi)阻， 與電壓表的內(nèi)阻相差不多， 故電壓表是并聯(lián)在M與P之間， 測(cè)得數(shù)據(jù)的誤差較小;②先根據(jù)表上數(shù)據(jù)定好兩坐標(biāo)軸上的標(biāo)度， 再描點(diǎn)連線， 如圖丙。
（3）由第1、2、3測(cè)量數(shù)據(jù)可知I=0， 定值電阻R上的電壓為零，UMO=UMN， 且UMO隨UMN增大而增大，UMO隨UMN變化的圖象為通過原點(diǎn)的一條傾斜直線; 由第7～10測(cè)量數(shù)據(jù)可知，UMO微小增大， I 增大極快， 可知UMN增大 ，UMO增大微小，UMO隨UMN變化的圖象為一條與水平軸接近平行（微微上翹）的曲線。將兩部分圖象用光滑曲線連接， 如圖丁。
答案 (1)a;(2)①P;②如圖丙;
（3）如圖丁。
點(diǎn)評(píng) 本題第(2)問， 要求考生根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出伏安特性曲線， 探究待測(cè)元件兩端電壓UMO隨總輸入電壓UMN變化關(guān)系， 本題是一條探究類實(shí)驗(yàn)試題， 不僅考查考生應(yīng)用圖象分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力，還考查“科學(xué)探究”能力。
五、考查電－力轉(zhuǎn)化中的綜合應(yīng)用
例5 （2007年廣東物理卷， 8）壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，有位同學(xué)利用壓敏電阻設(shè)計(jì)了判斷小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的裝置，其工作原理如圖甲所示， 將壓敏電阻和一塊擋板固定在絕緣小車上，中間放置一個(gè)絕緣重球， 小車向右做直線運(yùn)動(dòng)過程中，電流表示數(shù)如圖乙所示， 下列判斷正確的是（ ）
A.從t1 到t2 時(shí)間內(nèi)，小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)
B.從t1 到t2 時(shí)間內(nèi)， 小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)
C.從t2 到t3 時(shí)間內(nèi)，小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)
D.從t2 到t3 時(shí)間內(nèi)，小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)
解析 在0～t1內(nèi)，I恒定， 壓敏電阻的阻值不變， 由小球的受力不變可知，小車可能做勻速或勻加速直線運(yùn)動(dòng)。在t1 ～t2 內(nèi)，I變大， 阻值變小，壓力變大，小車做變加速直線運(yùn)動(dòng)， A、B均錯(cuò)。在t2 ～t3 內(nèi)，I恒定， 壓力恒定， 并且比0～t1時(shí)的壓力大， 小車只能做勻加速運(yùn)動(dòng)， 不可能做勻速運(yùn)動(dòng)， C錯(cuò)，D對(duì)。
點(diǎn)評(píng) 本題巧妙地利用壓敏電阻將力與電綜合起來， 考查考生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。考生易錯(cuò)點(diǎn)：將“在0～t1內(nèi)，I恒定”與“在t2 ～t3 內(nèi)，I恒定”混淆不清， 誤選C。解題關(guān)鍵：弄清在t2 ～t3 內(nèi)，壓力恒定， 且比0～t1時(shí)的壓力大， 若做勻速運(yùn)動(dòng)， 則受壓的壓敏電阻會(huì)恢復(fù)原狀， 壓力變小， 電阻變大， 電流變小， 與如圖乙所示不相符合。本題是一道新信息題， 題中提供一些新信息，考生必須通過閱讀分析， 篩選相關(guān)信息，建立物理模型，然后利用所學(xué)知識(shí)結(jié)合題中信息求解。本題給出一定的新情境，具有一定的探究性，要求考生在情境中自行設(shè)定與尋找解題的思維方法。
六、運(yùn)用電路知識(shí)探究聯(lián)系實(shí)際問題的能力
例6 （2007年北京理綜， 19）環(huán)保汽車將為2008年奧運(yùn)會(huì)場(chǎng)館服務(wù)。某輛以蓄電池為驅(qū)動(dòng)能源的環(huán)保汽車，總質(zhì)量m = 3×103 kg， 當(dāng)它在水平路面上以v =36km/h的速度勻速行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入電流I =50A， 電壓U =300V， 在此行駛狀態(tài)下
(1)求驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入功率P電；
(2)若驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠?qū)⑤斎牍β实?0％轉(zhuǎn)化為用于牽引汽車前進(jìn)的機(jī)械功率P機(jī) ， 求汽車所受阻力與車重的比值 (g取10m/s2)；
(3)設(shè)想改用太陽能電池給該車供電，其他條件不變， 求所需太陽能電池板的最小面積。結(jié)合計(jì)算結(jié)果， 簡述你對(duì)該設(shè)想的思考。
已知太陽輻射的總功率P0 = 4×1026W，太陽到地球的距離r=1.5×1011m，太陽光傳播到達(dá)地面的過程中大約有30％的能量損耗， 該車所用太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率約為 15％。
解析 (1) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入功率
P電= U I =1.5×104W
(2)在勻速行駛時(shí)
P機(jī)=0.9P電 ， P機(jī)=F v =f v ，
得 f =0.9P電 /v，
∴汽車所受阻力與車重之比
f/mg = 0.9P電 /mgv =0.045
(3)當(dāng)陽光垂直入射時(shí)， 所需板面積最小， 設(shè)其為S 。距太陽中心為r的球面面積S0=4πr2，若沒有能量損耗， 太陽能電池板接收到的太陽能功率為P′， 則P′P0=SS0
設(shè)太陽能電池板實(shí)際接收到的太陽能功率為P， P =(1-30％)P′
PP0(1-0.30)=SS0
由于P電 =15％P，所以電池板的最小面積
S=PS00.7P0=4πr2P電0.15×0.7P0
=101m2
分析可行性并提出合理的改進(jìn)建議如下：由于所需太陽能電池板面積過大，遠(yuǎn)超過一般汽車的面積，因此只有大幅度提高電池板的效率， 才可以投入實(shí)際應(yīng)用。
點(diǎn)評(píng) 本題涉及電機(jī)的功率、能量守恒、效率概念、平衡條件等知識(shí)， 考查考生運(yùn)用電路知識(shí)解決聯(lián)系實(shí)際問題的能力。第（3）問“結(jié)合計(jì)算結(jié)果， 簡述你對(duì)該設(shè)想的思考”， 考查了考生“分析與論證”和“自主探究”的能力。“科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)”（STS）教育是世界各國教育改革中形成的一股潮流，它主張教育中應(yīng)該強(qiáng)調(diào)科學(xué)技術(shù)在社會(huì)生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用， 新課程改革體現(xiàn)了這一理念，《考試大綱》明確提出：要求考生“了解自然科學(xué)發(fā)展的最新成就和成果及其對(duì)社會(huì)發(fā)展的影響，并能與已學(xué)的知識(shí)結(jié)合起來解決問題”， 近年高考試卷上出現(xiàn)了許多結(jié)合社會(huì)實(shí)際和科技前沿的好題，這些試題比較真實(shí)和全面地模擬現(xiàn)實(shí)， 復(fù)習(xí)中要關(guān)注這些社會(huì)熱點(diǎn)，關(guān)注科技前沿的發(fā)展及其應(yīng)用，并注意這些命題背景與《考試大綱》的知識(shí)結(jié)構(gòu)、能力要求的聯(lián)系。
注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。
