电路设计的方法

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电路设计的方法

淮南矿业集团第十四中学 张学东（232046）

电路设计，一方面是初中物理教学的要求，另一方面也是初中阶段培养创新能力的一种途径。谈及设计许多初中学生不禁瞪眼自问：“设计，起码也得是工程师才能干的事，我们能行吗？”是的，我们所学的知识还是非常有限的，要有重大的发明创造还有很大的困难，但设计也并非就是科学家、工程师们干的事，一些小发明、小创造我们还是能够做到的，我们可以利用学过的知识解决生活中的一些困难，那就是一种发明创造，如有位学生外出时经常遇到书包、雨伞等物品没地方放置，于是他就用铁丝变成了一个S 形的挂钩，只要找到一个半厘米宽的沿子，就可以用这个钩子把书包等物品挂起来；当然这些灵感是来自于生活，你不参加劳动、不注意观察，那你又怎么会有什么困难需要解决呢？那你又怎么会有强烈地发明欲望呢？只有将知识和生活完美地结合，你才能变得聪明起来，你才会成为一个有创新能力的人。完成一项发明创造，需要大量的知识积累，这就促使我们认真学习科学理论知识，使我们的学习变得有目的，当一项发明完成时，成功的喜悦会更加激发我们学习的热情，使学习变成我们生活中一件乐事。

设计往往也是一种模仿，即对现有一些实际事物模型加以改进或替换，下面我们以初中物理教材（上海科技版）第二册第17章第6节内容为例，来谈谈电路设计的思路和方法。

课本中提出：有一个电阻值看不清楚的电阻R x ，我们要测出它的电阻值，但手边只有电池组、电压表、开关、阻值已知为R 0的电阻器和几根导线。能否用这些器材测出R x 的电阻值？试设计一个电路，并说明测试方法。

我们刚做过伏安法测电阻的实验，那么这里要

求测电阻与伏安法测电阻又有什么不同呢？比较一

下条件发现，这里所给的器材中少了一个电流表和

一个滑动变阻器，但多了一个定值电阻。没有滑动

变阻器时只要电池组的电压不太大就行了，但没有电流表，电流如何测呢？没有电流，那如何运用R=U/I

算出电阻呢？虽然没有电流表，但多

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了一个定值电阻，我们何不用它来替代一下电流表呢？由公式I=U/R 知，要用它来替代电流表，还需知道其两端电压，这里有电压表，我们可以测出其两端电压，即用电压表与其并联即可替代电流表，只不过将电压表用两次而已，于是电路便设计出来了，如图1所示。测算方法：先后用电压表分别测出R 0、R x 两端电压U 0、U x ，由于R 0、R x 串联，由串联电路电流特点和欧姆定律公式得：

000x R U I I ==，则00

x 00x x x x R U U R U U I U R ===。 ⑵课本中处理方法即是如此，但这个电路的电压

表要拆来拆去不甚方便，我们结合串联电路电压特

点，即：U 总=U 0+U x ，将其改进一下，利用开关的开

合来改变电压表测量对象，即测出总电压U 总和一个分电压U 0或U x ，如图2所示；测算方法：先闭合开关S ，将R 0短路，此时电压表所测的为电源总电压U 总，再将S 断开，此时电压表所的为R x 两端电压U x ，则U 0=U 总－U x ，将其代入①式，则0x

x x R U U U R -=总。 ⑶开关S 和电压表○

V 的位置是可以互换的，只是互换后，将①式中U x 用U 总－U 0代换即可。至此利用以上元件可以有三种方法测出未知电阻的阻值。

㈡我们再进一步将上述条件中的电压表改为电

流表，即用一只电流表、一个定值电阻R 0、一只开

关和几根导线测出未知电阻R x 的阻值。

⑴还是运用替代法，用定值电阻和电流表串联替

代电压表与待测电阻并联，电流表先后测出两条支路

中电流强度I 0、I x ，如图3所示，由并联电路电压特点得U x = U 0= I 0·R 0， 则……②。

⑵此时电流表要先后在两条支路测量，拆装

就更为不便，我们也是将其改进，将电流表接到

干路上，利用并联电路电流特点I 总=I 0+I x ，测出

干路总电流I 总和一条支路电流I 0或I x ，

这里将开

3 关接在一条支路上，如图4所示，当S 闭合时，电流表测得干路总电流I 总，当S 断开时，电流表测得通过R 0的电流I 0，由于电路中电源两端直接与各支路相连，开关的断开与闭合对R 0两端电压不产生影响，自然对其中通过的电流也就不产生影响，所以I x =I

总－I 0，代入②式得：

000x R I I I R -=总 ； ⑶若将开关S 与R 0串联，则计算式就改为0x x x R I I I R -=

总。

⑷我们还可以根据电源总电压保持不变，当电路

中只有一个电阻时，电阻两端电压即为电源电压，

当两电阻串联时，它们的总电压即为电源总电压这

一特点，将R x 与R 0串联，设计出如图5电路，测算

方法：闭合S ，将R x 短路，电路中只有一个电阻R 0，

读出电流表读数I 1，则U 总=I 1·R 0；断开S ，电路中

R x 与R 0串联，读出电流表读数I 2，则U 总=I 2（R x +R 0）= I 2R x + I 2R 0，所以有：I 1R 0= I 2R x + I 2R 0，整理得：02

21x R I I I R -=。 ⑸若开关与R 0并联，则计算式为： 02

12x R I I I R -=（S 闭合时电流为I 1，S 断开时电流为I 2）。

从以上分析可知，电路设计并不是非常困难的事，只要我们对串联、并联电路的电流、电压和电阻的特点以及欧姆定律等内容熟练掌握，并借助大家熟悉的电路，注意分析条件、器材等要求，就很容易实现电路的设计。

（字数：1970）