“模型構建”在初中物理動態電路復習中的應用

朱天宇

摘 要： 初中物理考試中，動態電路題型多變，但核心知識點是不變的.在專題復習中采用“模型構建”法進行教學，圍繞動態電路核心知識，將各種題型分類，建立基礎“電路模型”和“思維模型”，然后將多變的題型轉化為已有模型進行分析，能有效地突破教學難點，提高學生物理思維能力.

關鍵詞： 初中物理;模型構建;動態電路;專題復習

動態電路分析是初中物理學習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，動態電路的題型越發的多變，而且綜合性較強，學生的得分率普遍不高.在傳統的動態電路專題復習中，復習時間緊湊，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”的模式進行復習.在一定程度上有效縮短了復習時間，但造成的問題是往往學生學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電路中各物理量的內在聯系[1].一到考試，題型一變就不會分析.若在專題復習中采用“模型構建”方法進行教學，將多變的題型轉化為基礎模型進行分析，能有效地突破教學難點，提高學生物理思維能力.

1 “電路模型”和“思維模型”的構建

1.1 動態電路類型分析

在初中物理電學內容中，默認忽略電源的內電壓和內電阻 ，即認為電源路端電壓恒定不變，且中考難度一般不考察串并聯混合電路的分析.由此根據電路動態變化的原因將初中階段動態電路分為兩大類型：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;另一類是通過開關的斷開閉合，使電路中部分電阻的連接方式發生改變，導致電路中各物理量發生變化[2].

動態電路的難點在于電路局部發生變化后，整個電路中某些物理量發生了變化，某些物理量并沒有發生變化，大部分學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行分析，導致思路混亂.所以，在復習中將各種題型進行整合分類，先幫助學生構建基礎“電路模型”和“思維模型”，以此為基礎將多變的例題轉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 基礎模型構建

對大量真題和模擬題進行歸納分析，得出以下五種基礎模型.結合電路模型，按照邏輯順序對整個電路所有位置的電流和電壓進行分析，確定內在聯系，從而建立思維模型.

1.2.1 滑動變阻器“串聯”模型

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

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

1.2.2 滑動變阻器“并聯”模型

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

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

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，當滑動變阻器滑片向右移動時，分析圖中所有電表的示數變化.

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

1.2.4 開關“串并聯轉換”模型

如圖4所示為開關“串并聯轉換”模型，開關由斷開到閉合，電路由串聯變為并聯，分析圖中所有電表的示數變化.（由閉合到斷開則結相反，下同）

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

1.2.5 開關“短路”模型

如圖5所示為開關“短路”模型，當開關由斷開到閉合，R1由通路變為短路，分析圖中所有電表的示數變化.

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

2 “模型構建”在例題中的應用

應用“模型構建”法解決動態電路問題的一般思路是：（1）認清題設電路的結構，判斷動態電路類型，利用等效電路將其簡化，回歸到已有模型;（2）根據題目所求，對比相應模型的分析流程，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相應公式并結合電流、電壓的變化進行分析.

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，兩電壓表示數隨電流表示數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）認清題設電路結構，無需化簡，屬于滑動變阻器“串聯”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示數增大，電壓表V2示數增大，電壓表V1示數變小;則電壓表V2隨電流表示數變化的圖像應為ec;（3）考慮電路消耗的總功率，電源電壓為12V不變，根據P總=U總×I↑，故總功率逐漸增大.所以當電流為最大3A時，總功率最大值為36W.

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

解題思路：（1）認清題設電路結構，對電路進行化簡，可得如圖7-1的等效電路;屬于滑動變阻器“并聯”模型，滑片向右移，有效電阻增大;（2）對比相應模型分析得出：電壓表V示數不變，電流表A1示數不變，電流表A2示數變小;電流表A示數變小.

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

A.小燈泡變亮

B.電流表示數變大

C.電壓表示數變小

D.電路的總功率變大

解題思路：（1）認清題設電路結構，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）對比相應模型分析得出：電流表A示數不變;電壓表V示數變小;（3）考慮電燈亮度，根據PL=I2×RL，故燈亮度不變.電路總功率，根據P總=U總×I，故電路總功率不變，應選C.

例4 ?（2016年金華） 如圖9所示是研究并聯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S和S1，兩燈均發光，觀察并記錄電流表示數后，斷開開關S1，此時（ ）

A.甲表示數不變，乙表示數變大

B.甲表示數變小，乙表示數變大

C.甲表示數變大，乙表示數不變

D.甲表示數變小，乙表示數不變

解題思路：（1）認清題設電路結構，將實物圖轉化為電路圖，可得如圖9-1的等效電路圖;屬于開關“串并聯轉換”模型，開關由閉合到斷開，電路由并聯變為串聯;（2）對比相應模型分析得出：支路電流表乙示數不變，干路電流表甲示數變小，故選D.

3 “模型構建”應用中應注意的問題

實踐中發現，應用“模型構建”法進行動態電路專題復習中還應注意以下幾點：（1）模型的構建過程要精細，通過電路串、并聯特點從整體進行分析，重在解決各物理量的內在聯系;（2）實際題型中電路圖畫法多樣，但化簡后大同小異，故之前學習中要提高學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齊，然后再按模型思路逐步推導所求物理量的變化;（4）熟練掌握初中模型，在高中物理中結合電源內阻和串并聯混合電路的特點，可以建立新的模型，為將來的學習打下基礎.

4 結語

在動態電路專題復習中采用“模型構建”教學，能有效幫助學生理清動態電路中各物理量的內在聯系，將目光放到電路整體的變化情況，有效突破教學難點.不僅能提高學生歸類辨析的物理思維能力，也能避免傳統復習依靠大量刷題帶來的負面影響，減輕學生課后的學業負擔.

參考文獻：

[1] 江耀基.“一題多變”在動態電路專題復習課中的應用[J].中學物理教學參考，2017，46（5）：43～46.

[2] 林九靈.初中物理動態電路問題的突破與提高[J].中學物理，2017，32（14）：16～18.

[3] 孫浩杰.初中物理電路動態分類分析方法[J].中學物理教學參考，2008，37（8）：61～62.