“模型構(gòu)建”在初中物理動態(tài)電路復(fù)習(xí)中的應(yīng)用

朱天宇

摘 要： 初中物理考試中，動態(tài)電路題型多變，但核心知識點是不變的.在專題復(fù)習(xí)中采用“模型構(gòu)建”法進(jìn)行教學(xué)，圍繞動態(tài)電路核心知識，將各種題型分類，建立基礎(chǔ)“電路模型”和“思維模型”，然后將多變的題型轉(zhuǎn)化為已有模型進(jìn)行分析，能有效地突破教學(xué)難點，提高學(xué)生物理思維能力.

關(guān)鍵詞： 初中物理;模型構(gòu)建;動態(tài)電路;專題復(fù)習(xí)

動態(tài)電路分析是初中物理學(xué)習(xí)過程中的一個重難點，也是中考及各類考試中較為常見的題型.分析近幾年各地中考試卷，動態(tài)電路的題型越發(fā)的多變，而且綜合性較強(qiáng)，學(xué)生的得分率普遍不高.在傳統(tǒng)的動態(tài)電路專題復(fù)習(xí)中，復(fù)習(xí)時間緊湊，很多教師采用以往年中考真題或模擬題為例題，通過“做—講—練”的模式進(jìn)行復(fù)習(xí).在一定程度上有效縮短了復(fù)習(xí)時間，但造成的問題是往往學(xué)生學(xué)會了該種題型的解答，甚至是記住了答案，但沒有真正理清動態(tài)電路中各物理量的內(nèi)在聯(lián)系[1].一到考試，題型一變就不會分析.若在專題復(fù)習(xí)中采用“模型構(gòu)建”方法進(jìn)行教學(xué)，將多變的題型轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)模型進(jìn)行分析，能有效地突破教學(xué)難點，提高學(xué)生物理思維能力.

1 “電路模型”和“思維模型”的構(gòu)建

1.1 動態(tài)電路類型分析

在初中物理電學(xué)內(nèi)容中，默認(rèn)忽略電源的內(nèi)電壓和內(nèi)電阻 ，即認(rèn)為電源路端電壓恒定不變，且中考難度一般不考察串并聯(lián)混合電路的分析.由此根據(jù)電路動態(tài)變化的原因?qū)⒊踔须A段動態(tài)電路分為兩大類型：一類是改變滑動變阻器或某種可變電阻的阻值，引起電路中電流、電壓、實際電功率的變化;另一類是通過開關(guān)的斷開閉合，使電路中部分電阻的連接方式發(fā)生改變，導(dǎo)致電路中各物理量發(fā)生變化[2].

動態(tài)電路的難點在于電路局部發(fā)生變化后，整個電路中某些物理量發(fā)生了變化，某些物理量并沒有發(fā)生變化，大部分學(xué)生在分析過程中只抓住電路的某一部分，不能從電路的整體進(jìn)行分析，導(dǎo)致思路混亂.所以，在復(fù)習(xí)中將各種題型進(jìn)行整合分類，先幫助學(xué)生構(gòu)建基礎(chǔ)“電路模型”和“思維模型”，以此為基礎(chǔ)將多變的例題轉(zhuǎn)化為已有模型來分析.化“繁”為“簡”，化“多變”為“不變”來突破難點.

1.2 基礎(chǔ)模型構(gòu)建

對大量真題和模擬題進(jìn)行歸納分析，得出以下五種基礎(chǔ)模型.結(jié)合電路模型，按照邏輯順序?qū)φ麄€電路所有位置的電流和電壓進(jìn)行分析，確定內(nèi)在聯(lián)系，從而建立思維模型.

1.2.1 滑動變阻器“串聯(lián)”模型

如圖1所示為滑動變阻器“串聯(lián)”模型，當(dāng)滑動變阻器滑片向右移動時，分析圖中所有電表的示數(shù)變化.（滑片向左移則結(jié)論相反，下同）

分析流程：①U總：電源電壓不變，故電壓表V示數(shù)不變;②I：滑片向右移R2增大，根據(jù)I= U總 R1+R2↑ （↑表示增大，↓表示減小，下同），故電流表A示數(shù)變小;③U1：根據(jù)U1=I↓×R1，故電壓表V1示數(shù)變小;④U2：根據(jù)U2=U 總-U1↓，故電壓表V2示數(shù)變大.

1.2.2 滑動變阻器“并聯(lián)”模型

如圖2所示為滑動變阻器“并聯(lián)”模型，當(dāng)滑動變阻器滑片向右移動時，分析圖中所有電表的示數(shù)變化.

分析流程：①U總：電源電壓不變，故電壓表V示數(shù)不變;②I1：根據(jù)I1= U總 R1 ，故支路電流表A1示數(shù)不變;③I2：滑片向右移R2增大，根據(jù)I2= U總 R2↑ ，故支路電流表A2示數(shù)變小;④I總：根據(jù)I總=I1+I2↓，故干路電流表A示數(shù)變小.

1.2.3 滑動變阻器“特殊”模型

如圖3所示為滑動變阻器“特殊”模型，當(dāng)滑動變阻器滑片向右移動時，分析圖中所有電表的示數(shù)變化.

分析流程：①U總：電源電壓不變，故電壓表V示數(shù)不變;②I：移動滑片，R2接入阻值不變，根據(jù)I= U總 R1+R2 ，故電流表A示數(shù)不變;③U1：根據(jù)U1=I×R1，故電壓表V1示數(shù)不變;④U2：滑片向右移，電壓表V2所測有效電阻R′阻值變小，根據(jù)U2=I×R′↓，故電壓表V2示數(shù)變小.

1.2.4 開關(guān)“串并聯(lián)轉(zhuǎn)換”模型

如圖4所示為開關(guān)“串并聯(lián)轉(zhuǎn)換”模型，開關(guān)由斷開到閉合，電路由串聯(lián)變?yōu)椴⒙?lián)，分析圖中所有電表的示數(shù)變化.（由閉合到斷開則結(jié)相反，下同）

分析流程：①U總：變化前后電壓表V均測電源電壓，故示數(shù)不變;②I2：根據(jù)I2= U總 R2 ，故支路電流表A2示數(shù)不變;③I1：開關(guān)閉合前A1示數(shù)為0，閉合后有示數(shù)，故支路電流表A1示數(shù)增大;④I總：根據(jù)I總=I1↑+I2，故干路電流表A示數(shù)增大.

1.2.5 開關(guān)“短路”模型

如圖5所示為開關(guān)“短路”模型，當(dāng)開關(guān)由斷開到閉合，R1由通路變?yōu)槎搪罚治鰣D中所有電表的示數(shù)變化.

分析流程：①U總：變化前后電壓表V均測電源電壓，故示數(shù)不變;②I：開關(guān)閉合后R1短路，根據(jù)I= U總 R1↓+R2 ，故電流表A示數(shù)增大;③U1：開關(guān)閉合前電壓表V1有示數(shù)，閉合后R1短路，故電壓表V1示數(shù)為0;④U2：根據(jù)U2=U總-U1↓，故電壓表V2示數(shù)增大.

2 “模型構(gòu)建”在例題中的應(yīng)用

應(yīng)用“模型構(gòu)建”法解決動態(tài)電路問題的一般思路是：（1）認(rèn)清題設(shè)電路的結(jié)構(gòu)，判斷動態(tài)電路類型，利用等效電路將其簡化，回歸到已有模型;（2）根據(jù)題目所求，對比相應(yīng)模型的分析流程，得出所求物理量的變化;（3）若涉及電功率、電燈亮度等問題則根據(jù)相應(yīng)公式并結(jié)合電流、電壓的變化進(jìn)行分析.

例1 ?（2018年寧波） 如圖6甲所示，電源電壓保持不變，閉合開關(guān)S，滑動變器的滑片P從b點滑到a點的過程中，兩電壓表示數(shù)隨電流表示數(shù)變化的圖線如圖乙所示.

（1）圖乙中 （填“dc”或“ec”）表示電壓表V2隨電流表示數(shù)變化的圖像.

（2）該過程電路消耗的總功率最大值為 W

解題思路：（1）認(rèn)清題設(shè)電路結(jié)構(gòu)，無需化簡，屬于滑動變阻器“串聯(lián)”模型，滑片從b點滑到a點，有效電阻減小;（2）對比模型分析不難得出：電流表A示數(shù)增大，電壓表V2示數(shù)增大，電壓表V1示數(shù)變小;則電壓表V2隨電流表示數(shù)變化的圖像應(yīng)為ec;（3）考慮電路消耗的總功率，電源電壓為12V不變，根據(jù)P總=U總×I↑，故總功率逐漸增大.所以當(dāng)電流為最大3A時，總功率最大值為36W.

例2 ?如圖7所示，當(dāng)滑動變阻器的滑片P向右移動時，電流表A1的示數(shù) ，電流表A2示數(shù)將 ，電流表A示數(shù)將 ，電壓表V示數(shù)將 .（均填“變大”“變小”或“不變”）[3]

解題思路：（1）認(rèn)清題設(shè)電路結(jié)構(gòu)，對電路進(jìn)行化簡，可得如圖7-1的等效電路;屬于滑動變阻器“并聯(lián)”模型，滑片向右移，有效電阻增大;（2）對比相應(yīng)模型分析得出：電壓表V示數(shù)不變，電流表A1示數(shù)不變，電流表A2示數(shù)變小;電流表A示數(shù)變小.

例3 ?（2014年寧波） 如圖8所示電路，閉合開關(guān)S后，當(dāng)滑片向右移動過程中（ ）

A.小燈泡變亮

B.電流表示數(shù)變大

C.電壓表示數(shù)變小

D.電路的總功率變大

解題思路：（1）認(rèn)清題設(shè)電路結(jié)構(gòu)，無需化簡，屬于滑動變阻器“特殊”模型，滑片向右移，接入電路電阻不變，電壓表所測電阻減小;（2）對比相應(yīng)模型分析得出：電流表A示數(shù)不變;電壓表V示數(shù)變小;（3）考慮電燈亮度，根據(jù)PL=I2×RL，故燈亮度不變.電路總功率，根據(jù)P總=U總×I，故電路總功率不變，應(yīng)選C.

例4 ?（2016年金華） 如圖9所示是研究并聯(lián)電路電流特點的實物圖.電源電壓保持不變，先同時閉合開關(guān)S和S1，兩燈均發(fā)光，觀察并記錄電流表示數(shù)后，斷開開關(guān)S1，此時（ ）

A.甲表示數(shù)不變，乙表示數(shù)變大

B.甲表示數(shù)變小，乙表示數(shù)變大

C.甲表示數(shù)變大，乙表示數(shù)不變

D.甲表示數(shù)變小，乙表示數(shù)不變

解題思路：（1）認(rèn)清題設(shè)電路結(jié)構(gòu)，將實物圖轉(zhuǎn)化為電路圖，可得如圖9-1的等效電路圖;屬于開關(guān)“串并聯(lián)轉(zhuǎn)換”模型，開關(guān)由閉合到斷開，電路由并聯(lián)變?yōu)榇?lián);（2）對比相應(yīng)模型分析得出：支路電流表乙示數(shù)不變，干路電流表甲示數(shù)變小，故選D.

3 “模型構(gòu)建”應(yīng)用中應(yīng)注意的問題

實踐中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用“模型構(gòu)建”法進(jìn)行動態(tài)電路專題復(fù)習(xí)中還應(yīng)注意以下幾點：（1）模型的構(gòu)建過程要精細(xì)，通過電路串、并聯(lián)特點從整體進(jìn)行分析，重在解決各物理量的內(nèi)在聯(lián)系;（2）實際題型中電路圖畫法多樣，但化簡后大同小異，故之前學(xué)習(xí)中要提高學(xué)生畫出等效電路的能力;（3）模型中涉及了電路中所有電表示數(shù)變化，各物理量的變化推理邏輯清晰.但實際題型中可能只涉及特定的幾個物理量變化.若部分學(xué)生分析困難，可以在電路化簡后將與模型相比缺少的電表補(bǔ)齊，然后再按模型思路逐步推導(dǎo)所求物理量的變化;（4）熟練掌握初中模型，在高中物理中結(jié)合電源內(nèi)阻和串并聯(lián)混合電路的特點，可以建立新的模型，為將來的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ).

4 結(jié)語

在動態(tài)電路專題復(fù)習(xí)中采用“模型構(gòu)建”教學(xué)，能有效幫助學(xué)生理清動態(tài)電路中各物理量的內(nèi)在聯(lián)系，將目光放到電路整體的變化情況，有效突破教學(xué)難點.不僅能提高學(xué)生歸類辨析的物理思維能力，也能避免傳統(tǒng)復(fù)習(xí)依靠大量刷題帶來的負(fù)面影響，減輕學(xué)生課后的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān).

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