巧用定值電阻解決實(shí)驗(yàn)問題

【摘 要】定值電阻是物理電學(xué)部分的常見元件，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，更好地滿足電表測量要求;其三，充當(dāng)電表，通過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)測量結(jié)果精度。授課中為使學(xué)生親身體會定值電阻在實(shí)驗(yàn)中的巧用，應(yīng)圍繞定值電阻的不同作用，設(shè)計相關(guān)的實(shí)驗(yàn)問題，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所示的電路測定一節(jié)干電池的電動勢和內(nèi)阻，電池的內(nèi)阻較小，為防止在調(diào)節(jié)滑動變阻器時造成短路，需要使用定值電阻進(jìn)行保護(hù)[1]。除電池、開關(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滑動變阻器（阻值范圍為0～10Ω，額定電流為2A）;⑥滑動變阻器（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，則干電池的電動勢 E =____，內(nèi)阻 r =____。

分析：一節(jié)干電池的電動勢在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勢，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

測量某電源的電動勢和內(nèi)阻，現(xiàn)提供如下器材：

①待測電源（電動勢約1.5V，內(nèi)阻約2Ω）;②靈敏電流計（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開關(guān)、導(dǎo)線若干。要求測量的數(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)提供的器材畫出電路設(shè)計圖，連接好電路后，改變電阻箱的阻值，記錄多組電流計的讀數(shù)I（以A為單位）和電阻箱的阻值。

（2）針對多組 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____;若圖線的斜率為 k ，縱軸截距為 a ，則該電源的電動勢 E =___， r =_____。（用 k、a 及已知量表示）分析：電源的電動勢約為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，對電流計進(jìn)行改裝。為滿足實(shí)驗(yàn)要求可將電流計的量程擴(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[4]。對應(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 （電動勢約2.4V，不計內(nèi)阻）;⑤導(dǎo)線以及開關(guān)若干。要求測量電壓表 V 的內(nèi)阻大小，且要求電表示數(shù)超過其量程的一半。

（1）畫出實(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：測量電壓表內(nèi)阻，為防止電壓表內(nèi)阻超過最大量程且能測量經(jīng)過電壓表的電流，可使用定值電阻。經(jīng)檢驗(yàn) R1 的阻值滿足電表示數(shù)超過量程一般的要求[5]。設(shè)計的電路圖如圖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滑動變阻器 R3（阻值范圍為0～5Ω，額定電流為2A）;⑥滑動變阻器 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）。

（1）若繪制的電路圖如圖4所示，則定值電阻 R 應(yīng)選擇____，滑動變阻器應(yīng)選擇_____。若某次測量電壓表的讀數(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)知識進(jìn)行計算后可知使用定值電阻 R1 比較合適，為方便調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值應(yīng)選擇R3。待測電阻兩端的電壓為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)生對定值電阻的認(rèn)識，提高其運(yùn)用定值電阻解決實(shí)驗(yàn)問題的靈活性，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，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)、定值電阻測量”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計[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。