簡(jiǎn)易數(shù)字化限流和分壓電路演示裝置

李展華

摘 ? 要：介紹了“限流和分壓電路演示裝置”的創(chuàng)新點(diǎn)、制作流程和主要用途，該教具與數(shù)字化手段相結(jié)合，測(cè)量精確、讀數(shù)快捷、功能豐富、實(shí)用性強(qiáng)，有較高的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：限流;分壓;數(shù)字化

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2019）5-0051-3

限流和分壓電路是中學(xué)物理電學(xué)中的基本電路形式，是中考和高考的重點(diǎn)考查內(nèi)容。學(xué)生在處理限流和分壓電路的相關(guān)問題時(shí)，出錯(cuò)率很高。教師講解時(shí)往往圍繞這兩種電路中電流和電壓的變化規(guī)律，用大量的理論推導(dǎo)和計(jì)算試圖幫助學(xué)生突破這一難點(diǎn)，但效果往往不如人意。究其原因，初學(xué)時(shí)學(xué)生對(duì)這兩種電路的結(jié)構(gòu)不甚清楚，尤其是分壓電路中滑動(dòng)變阻器處的串并聯(lián)情況“朦朦朧朧”，在分析電路中電流和電壓變化規(guī)律時(shí)思路較為混亂。筆者制作一個(gè)“限流和分壓電路的演示裝置”，幫助學(xué)生輕松化解了這一難點(diǎn)。

1 ? ?教具介紹

1.1 ? ?教具裝置圖

圖1為教具實(shí)物圖，圖2是相應(yīng)的電路圖。

1.2 ? ?教具創(chuàng)新點(diǎn)

①設(shè)計(jì)直觀簡(jiǎn)潔，線路清晰，便于觀察。

②操作方便，效果明顯。限流和分壓融合一起，S2斷開時(shí)為限流電路，S2閉合時(shí)為分壓電路，通過對(duì)比讓學(xué)生認(rèn)清兩種電路結(jié)構(gòu)的不同之處。

③電流、電壓數(shù)字化，性能穩(wěn)定?？膳c數(shù)字技術(shù)、傳感器相結(jié)合，使電路中各部分電流、電壓數(shù)字化、實(shí)時(shí)化，便于發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

④電表拆除、安裝方便，待測(cè)元件或變阻器更換方便。

⑤功能豐富?？筛鶕?jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，通過組合改變電路局部結(jié)構(gòu)，進(jìn)行探究。

2 ? ?制作材料

①80 cm×60 cm復(fù)合木板一塊，塑料底座兩個(gè)，3 cm長(zhǎng)螺絲釘（直徑4 mm）20個(gè)，圖釘30枚;

②勝利數(shù)字萬用表1個(gè)（型號(hào)：VC890C+）、伊萊科數(shù)字萬用表3個(gè)（型號(hào)：EM33D）;

③最大阻值分別為5 Ω、20 Ω、50 Ω的滑動(dòng)變阻器各一個(gè);

④規(guī)格為3.8 V、0.3 A的小燈泡兩個(gè);

⑤電池盒1個(gè)、干電池4節(jié)，或?qū)W生電源（型號(hào)：J1202）;

⑥開關(guān)兩個(gè)、導(dǎo)線若干、剪刀一把、剝皮鉗一把;

⑦刻度尺1把、記號(hào)筆1支、小型電鉆1個(gè)、“一”字和“十”字螺絲刀各一把。

3 ? ?制作過程

3.1 ? ?教具面板的設(shè)計(jì)與制作

第1步：按照?qǐng)D2中的電路圖對(duì)復(fù)合板進(jìn)行布圖設(shè)計(jì)，確定每個(gè)元件的具體位置及螺絲孔的準(zhǔn)確位置，用電鉆打出需要的孔;

第2步：將每個(gè)元件放在面板上相應(yīng)的位置處，再用螺絲釘將其固定牢固;

第3步：用剪刀裁剪出各處所需合適長(zhǎng)度的導(dǎo)線，再用剝皮鉗將每段導(dǎo)線兩端的絕緣膠皮去掉;

第4步：用處理好的導(dǎo)線按圖2要求連接電路。

3.2 ? ?調(diào)試與美化

第1步：閉合開關(guān)，移動(dòng)滑片，檢查電路是否正常工作，性能是否穩(wěn)定;

第2步：對(duì)導(dǎo)線布局進(jìn)一步規(guī)范處理，線條橫平豎直，拐角處90度直角干凈利索，確保美觀大方;

第3步：選擇合適的字體、字號(hào)，將該裝置的名字“限流和分壓電路演示裝置”打印出來，粘貼于面板右上角;

第4步：將兩個(gè)塑料底座用螺絲釘固定于復(fù)合板下面。裝置制作完成，如圖1所示。

4 ? ?用途展示

4.1 ? ?演示限流接法時(shí)電流流向及變化規(guī)律

（1）方案1

將圖2中的開關(guān)S2斷開，呈現(xiàn)限流電路。閉合開關(guān)S1，將滑片從最左邊緩慢移至最右邊，觀察燈泡的發(fā)光情況，記錄電流表1、電流表2和電壓表的讀數(shù)變化。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，形成結(jié)論。

（2）方案2

也可修正教具中的器件布局，按圖3所示電路進(jìn)行探究。閉合開關(guān)S1，將滑片從最左邊緩慢移至最右邊，觀察4個(gè)電表讀數(shù)的變化。這個(gè)演示更能說明，限流接法時(shí)滑動(dòng)變阻器接入電路的有效電阻是滑片右側(cè)Pb部分。

4.2 ? ?探究分壓接法時(shí)的電路結(jié)構(gòu)

4.3 ? ?限流和分壓電路的調(diào)壓范圍對(duì)比

將圖2中的開關(guān)S2斷開，呈現(xiàn)限流電路。閉合S1，將滑片從最左邊緩慢移至最右邊，發(fā)現(xiàn)電壓表從某一不為零的數(shù)值開始增大，變化范圍為0.56 V～3.06 V。將圖2中的開關(guān)S2閉合，呈現(xiàn)分壓電路。閉合S1，將滑片從最左邊緩慢移至最右邊，發(fā)現(xiàn)電壓表從近似零開始逐漸增大，變化范圍為0.02 V～2.74 V。顯然，分壓電路可以使待測(cè)元件兩端電壓從近似零開始，且調(diào)壓范圍較大。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，兩種接法燈泡兩端電壓的最大值并不相同，這一點(diǎn)可啟發(fā)學(xué)生去思考原因。

4.4 ? ?分壓接法時(shí)總阻值不同的滑動(dòng)變阻器對(duì)負(fù)載調(diào)壓效果的對(duì)比

將圖2中的開關(guān)S2閉合，呈現(xiàn)分壓電路，分別將最大阻值為5 Ω、20 Ω、50 Ω的滑動(dòng)變阻器接入電路。閉合開關(guān)S1，將滑片從最左邊緩慢移至最右邊，觀察燈泡發(fā)光情況和電壓表示數(shù)變化，對(duì)比體會(huì)調(diào)壓效果（效果是指調(diào)壓的便捷性和精確性）。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：使用總阻值50 Ω的滑動(dòng)變阻器時(shí)，右移滑片過程中，開始時(shí)燈泡兩端電壓增長(zhǎng)非常緩慢，到某一值時(shí)增長(zhǎng)幅度驟然變大。想把電壓調(diào)到某一確定數(shù)值較為困難。

限流和分壓時(shí)，調(diào)節(jié)滑片使燈泡兩端電壓取相同數(shù)值，記下干路電流I1，比較兩種情況下電路消耗的總功率。也可從理論上進(jìn)行分析。

4.5 ? ?限流電路和分壓電路的能耗對(duì)比

限流和分壓時(shí)，調(diào)節(jié)滑片使燈泡兩端電壓取相同數(shù)值，記下干路電流I1，比較兩種情況下電路消耗的總功率。也可從理論上進(jìn)行分析。

5 ? ?功能拓展

該演示裝置還可用于測(cè)繪某電阻（如燈泡）的伏安特性曲線、伏安法測(cè)電阻、測(cè)電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻等實(shí)驗(yàn)，以及這些基本實(shí)驗(yàn)的變式拓展實(shí)驗(yàn)，如探究燈泡功率P與電壓U的關(guān)系、探究非純電阻電路中電功和電熱的關(guān)系。以上電學(xué)實(shí)驗(yàn)也可與朗威DIS系統(tǒng)相融合，借助電流傳感器、電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和處理系統(tǒng)，使實(shí)驗(yàn)過程、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理及結(jié)論得出更加快捷高效。

（欄目編輯 ? ?王柏廬）