【K12】Python写串联电阻问题的求解思路解析

问题源代码 方法：calculate_circuit_parameter 构造题目：

模板： 已知电阻R1为 10Ω，电阻R2为 5Ω，电压表示数为2.5V，求电源电压U？ 给合上面题目，利用Python程序，可以任意调节参数，从而得到更多题目的构造。

题目1：已知电阻R1为 10Ω，电阻R2为 5Ω，电压表示数为2.5V，求电源电压U。 电源电压U为 7.5V

题目2：已知电阻R1为 10Ω，未知电阻R2两端电压为2.5V，电源电压U为7.5V，求电阻R2的阻值。 r2_value 的值为 5.0

题目2：已知电阻R2为 5Ω，其两端电压为2.5V，电源电压U为7.5V，求电阻R1的阻值。 r1_value 的值为 10.0

题目：已知电阻R1为 10Ω，电阻R2为 5Ω，电压表示数为2.5V，电源电压U为7.5V，求电阻R1两端的电压。 voltage_across_r1 的值为 5.0

源代码 def calculate_circuit_parameter(circuit_data, target): r1 = circuit_data.get('r1') # 获取r1阻值 meter_reading = circuit_data.get('meter_reading') # 获取R1和R2串联部分的电压表示数 source_voltage_known = circuit_data.get('source_voltage') r2_known = circuit_data.get('r2') # 已知电阻R2的阻值 def calculate_r2_value(): # 根据电源电压、R1和电压表示数计算电阻R2 r2 = (meter_reading * r1) / (source_voltage_known - meter_reading) return round(r2, 1) def calculate_voltage_across_r1(): return round(source_voltage_known - meter_reading, 1) def calculate_r1_value(): # 修改：移除r2_known参数 # 根据电源电压、已知的R2两端电压和电压表示数计算电阻R1 r1 = (source_voltage_known - meter_reading) * r2_known / meter_reading return round(r1, 1) # def calculate_r1_value(r2_known, meter_reading, source_voltage_known): # r1 = (source_voltage_known - meter_reading) * r2_known / meter_reading # return round(r1, 1) functions = { 'r2_value': (calculate_r2_value, lambda: f"已知电阻R1为 {r1}Ω，未知电阻R2两端电压为{meter_reading}V，电源电压U为{source_voltage_known}V，求电阻R2的阻值。"), 'voltage_across_r1': (calculate_voltage_across_r1, lambda: f"已知电阻R1为 {r1}Ω，电阻R2为 {r2_known}Ω，电压表示数为{meter_reading}V，电源电压U为{source_voltage_known}V，求电阻R1两端的电压。"), 'r1_value': (calculate_r1_value, lambda: f"已知电阻R2为 {r2_known}Ω，其两端电压为{meter_reading}V，电源电压U为{source_voltage_known}V，求电阻R1的阻值。"), } if target == 'source_voltage': print(f"\n题目：已知电阻R1为 {r1}Ω，电阻R2为 {r2_known}Ω，电压表示数为{meter_reading}V，求电源电压U。") return f"电源电压U为 {source_voltage_known}V" if target not in functions: return f"无法计算'{target}'，请指定正确的物理量（'r2_value', 'voltage_across_r1' 或 'r1_value'）。" calculate_function, question_generator = functions[target] print(f"\n题目：{question_generator()}") result = calculate_function() # 删除此部分，因为calculate_r1_value不再需要额外参数 # if target == 'r1_value': # result = calculate_function(r2_known) return f"{target} 的值为 {result}" # 示例电路数据 circuit_data = { 'r1': 10, 'meter_reading': 2.5, 'source_voltage': 7.5, 'r2': 5 # 已知电阻R2的阻值 } def import_pic(pic='circuit_diagram_cldy01.png'): import matplotlib matplotlib.use('TkAgg') # 使用Tkinter作 import matplotlib.pyplot as plt # 加载并显示电路图（假设图片存在） img = plt.imread(pic) fig, ax = plt.subplots(figsize=(6, 6)) ax.imshow(img) plt.show() # 计算不同物理量 for target in ['source_voltage', 'r2_value', 'r1_value', 'voltage_across_r1']: print(calculate_circuit_parameter(circuit_data, target)) def kuozhan(): import numpy as np # 假设一个电流范围 current_range = [0.1,0.2,0.5,1,2,2.5] # 从0.1A到1.1A 以步长0.2 取五个电流值 r1_values = [] r2_values = [] for current in current_range: r1 = 5 / current r2 = 2.5 / current r1_values.append(r1) r2_values.append(r2) print("基于给定条件的不同R1和R2组合:") for i, (r1, r2) in enumerate(zip(r1_values, r2_values)): print(f"第{i + 1}组: R1={round(r1, 2)}Ω, R2={round(r2, 2)}Ω") kuozhan() import_pic() 扩展函数 kuozhan

在其他条件不变情况下，基于给定条件的不同R1和R2组合: 第1组: R1=50.0Ω, R2=25.0Ω 第2组: R1=25.0Ω, R2=12.5Ω 第3组: R1=10.0Ω, R2=5.0Ω 第4组: R1=5.0Ω, R2=2.5Ω 第5组: R1=2.5Ω, R2=1.25Ω 第6组: R1=2.0Ω, R2=1.0Ω

通过使用上述方法（利用编程和numpy库生成不同电流值对应的不同电阻组合），学生可以从以下方面受益：

理论联系实际：这种方法将物理电路的理论知识与编程实践相结合，让学生在解决实际问题时加深对串联电路欧姆定律的理解。

数学建模能力提升：学生需要理解欧姆定律数学建模，通过编程实现模型参数变化，直观地看到电阻值随着电流的变化而变化，有助于提高数学抽象能力和模型构建能力。

数据可视化与分析：尽管示例代码没有直接展示数据可视化部分，但这种编程方式为后续的数据可视化提供了便利。学生可以进一步学习如何用图表展现电阻与电流之间的关系，便于观察规律和趋势。

逻辑思维锻炼：编写循环结构和条件判断的代码过程中，学生的逻辑推理能力得到锻炼，学会如何根据给定条件动态计算所需结果。

实验模拟：虽然这里是在计算机上进行模拟，但在某种程度上替代了实验室的实际操作，帮助学生在安全、方便的环境下探索和验证物理现象。

自主探究意识培养：当学生可以根据自己设定的参数范围来探索不同的电路情况时，他们会更加主动地参与到学习中去，有利于培养自主探究和解决问题的能力。