近日,某省中考适应性训练物理试题中有这么一道4分的解答题:
其官方公布的答案为:
铅笔芯是导体,当把铅笔芯放在电池正负极上时,构成了一个通路,由I=U/R可知,电压一定时,由于接在电池正负极间的铅笔芯较短,所以通过铅笔芯的电流较大,根据Q=I^2Rt可知,铅笔芯电阻和时间一定时,铅笔芯放出热量较多,温度升高,引燃了火柴。
严格来讲,本道题要用闭合电路欧姆定律和焦耳定律的知识,才能完全解释清楚。
由于初中阶段学生没有学过闭合电路欧姆定律,只能假设电源电压U一定,电池的内电阻为零,但在上述答案中,并没有指出铅笔芯的电阻R较小这一事实,而是用了“铅笔芯较短”这一表述,显然不够严谨。
因为与其用“铅笔芯较短”来说明,还不如直接用“铅笔芯电阻较小”说明来的清楚,因为在公式I=U/R中,并没有“铅笔芯较短”这个物理量!
英国物理学家焦耳可能做答案者是为了避免用Q=I^2Rt说明时,电流I较大,而电阻R却较小,无法得出在时间t一定时放出热量较多的结论,所以才用“铅笔芯较短”来说明。但他在前面既然用了I=U/R,这里又回避了R较小的事实,还能得出“电压一定时,通过铅笔芯的电流较大”的结论吗?
因此,介于初中学生的知识水平,笔者认为更靠谱的答案应该是:
铅笔芯是导体,当把铅笔芯放在电池正负极上时,构成了一个通路,由欧姆定律I=U/R可知,电压一定时,由于接在电池正负极间的铅笔芯电阻较小,所以通过铅笔芯的电流I较大,根据焦耳定律Q=I^2Rt可知,虽然铅笔芯电阻R较小,但通过它的电流I较大,在时间t一定时,铅笔芯放出热量还会较多,温度升高,引燃了火柴。
当然,运用高中物理闭合电路欧姆定律和电功率的知识,本题可首先证明在铅笔芯电阻R较小(与电池内电阻r比较接近)时,电源的输出功率P=IU较大,所以在时间t一定时,铅笔芯放出热量Q=w=pt(纯电阻电路)较多,温度升高,引燃了火柴。
具体证明如下:
若电源电动势为E,电源的总功率为EI
电源的输出功率为UI(或I^2*R)
输出功率:P=I^2*R=E^2/(R+r)^2*R=E^2/[(R-r)^2/R+4r]
所以当R=r时输出功率最大,为:Pmax=E^2/(4r)