分壓電路中滑動(dòng)變阻器選擇的深度討論

陳玉軍

(江蘇省鹽城市亭湖高級(jí)中學(xué)，江蘇 鹽城 224001)

在電學(xué)實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)中我們常常需要選擇實(shí)驗(yàn)電路和實(shí)驗(yàn)器材,進(jìn)行有關(guān)的實(shí)驗(yàn),探究相關(guān)的結(jié)論．實(shí)驗(yàn)電路包括測(cè)量電路(如電流表內(nèi)接法和外接法)和供電電路(如限流式和分壓式),按照電路設(shè)計(jì)的基本原則,要求安全性好、誤差小、儀器少、耗電少、操作方便等．對(duì)于供電電路常涉及到滑動(dòng)變阻器的選擇問(wèn)題,這是教學(xué)中常見(jiàn)的問(wèn)題,也是高考中的熱點(diǎn)問(wèn)題．下面談?wù)勅绾芜M(jìn)行供電電路中分壓電路的滑動(dòng)變阻器的選擇．

分壓法和限流法供電電路雖然都可以調(diào)節(jié)負(fù)載電阻的電壓和電流的大小,但在不同條件下,調(diào)節(jié)效果不一樣．根據(jù)電路設(shè)計(jì)的基本原則,用分壓法還是限流法通常按下列幾種情況進(jìn)行選擇.

(1) 負(fù)載電阻的阻值Rx遠(yuǎn)大于滑動(dòng)變阻器的總阻值R,應(yīng)該選用分壓式電路;

(2) 要求負(fù)載上電壓或電流變化范圍較大,并且從零開(kāi)始連續(xù)可調(diào),選用分壓式電路;

(3) 負(fù)載電阻阻值Rx小于滑動(dòng)變阻器阻值R或相差不多,并且電壓、電流變化不需要從零調(diào)起,可采用限流式接法;

(4) 兩種電路均可使用的情況下,應(yīng)優(yōu)先采用限流式接法;

(5) 特殊情況還要根據(jù)電壓表和電流表量程以及電阻允許通過(guò)的最大電流值等多種情況來(lái)反復(fù)推敲,選擇最佳的電路．

根據(jù)上述幾種選擇情況,于是我們有的老師在課堂上就交給學(xué)生這樣的結(jié)論:分壓式電路選滑動(dòng)變阻器時(shí)總阻值應(yīng)小于負(fù)載電阻的阻值,并且越小越好;限流式電路選滑動(dòng)變阻器總阻值大于或等于負(fù)載電阻的阻值,或者相差不大．以上內(nèi)容就是我們通常給學(xué)生的現(xiàn)成結(jié)論．

那么,這樣的結(jié)論在任何情況下都合理嗎?下面我們看一道實(shí)驗(yàn)例題,看看分壓式電路滑動(dòng)變阻器的選擇為什么要比負(fù)載電阻小、是否在任何情況下都是越小越好．

實(shí)驗(yàn)1.在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實(shí)驗(yàn)中備有下列器材:

(A) 小燈泡(3.8 V,1.5 W).

(B) 直流電源(電動(dòng)勢(shì)4.5 V,內(nèi)阻約0.4 Ω).

(C) 電流表(量程0～500 mA,內(nèi)阻約0.5 Ω).

(D) 電壓表(量程0～5 V,內(nèi)阻約5000 Ω).

(E) 滑動(dòng)變阻器R1(0～5 Ω,額定電流2 A).

(F) 滑動(dòng)變阻器R2(0～50 Ω,額定電流1 A).

(G) 開(kāi)關(guān)一個(gè),導(dǎo)線若干.

如果既要滿足測(cè)量要求,又要使測(cè)量誤差較小,應(yīng)選擇圖1所示的4個(gè)電路中的________,應(yīng)選用的滑動(dòng)變阻器是________．

圖1

分析:由于是描繪小燈泡的伏安特性曲線,要求負(fù)載上電壓變化范圍較大,并且從零開(kāi)始連續(xù)可調(diào),所以應(yīng)選用分壓式電路．題中提供了兩個(gè)滑動(dòng)變阻器,全值電阻分別為5 Ω、50 Ω,由于負(fù)載電阻阻值約10 Ω,根據(jù)前面的選擇要求很顯然滑動(dòng)變阻器應(yīng)選R1．那么為什么不選R2呢?

圖2

圖3

如圖3所示,由U-Rx圖像說(shuō)明小燈泡兩端的電壓隨滑動(dòng)頭向右滑動(dòng)的距離的增加幾乎均勻的變化．這樣就很方便于實(shí)驗(yàn)操作和讀取數(shù)據(jù)．

而當(dāng)滑動(dòng)變阻器選用R2時(shí),小燈泡分壓為外電路最大電壓一半時(shí),同理可求得Rx=42 Ω,也就是滑動(dòng)頭向右滑動(dòng)五分之四以上小燈泡才分一半電壓．如圖4所示,由U-Rx圖像可知另一半電壓的讀取是在滑動(dòng)頭位于滑動(dòng)變阻器上右側(cè)不到1/5的空間上調(diào)節(jié)而得到的．

圖4

圖5

實(shí)驗(yàn)1中電源如果是比較舊的電池,內(nèi)阻較大,變?yōu)? Ω,R2變?yōu)?0～20 Ω,額定電流1 A),那么滑動(dòng)變阻器又應(yīng)該如何選擇呢?

實(shí)驗(yàn)2.在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實(shí)驗(yàn)中備有下列器材:

(A) 小燈泡(3.8 V,1.5 W).

(B) 直流電源(電動(dòng)勢(shì)4.5 V,內(nèi)阻約3 Ω).

(C) 電流表(量程0～500 mA,內(nèi)阻約0.5 Ω).

(D) 電壓表(量程0～5 V,內(nèi)阻約5000 Ω).

(E) 滑動(dòng)變阻器R1(0～5 Ω,額定電流2 A).

(F) 滑動(dòng)變阻器R2(0～20 Ω,額定電流1 A).

(G) 開(kāi)關(guān)一個(gè),導(dǎo)線若干.

如果既要滿足測(cè)量要求,又要使測(cè)量誤差較小,應(yīng)選擇圖6所示的4個(gè)電路中的________,應(yīng)選用的滑動(dòng)變阻器是________．

圖6

圖7

分析:如圖7所示,如果按照越小越好選擇,那么應(yīng)該選R1,當(dāng)滑動(dòng)變阻器選R1,滑動(dòng)頭滑到最右端時(shí)小燈泡分電壓最大,由于電源內(nèi)阻較大,根據(jù)閉合電路歐姆定律,小燈泡分得最大電壓約為2.4 V,只有其額定電壓的顯然測(cè)量范圍較小,數(shù)據(jù)采集不足,作圖法處理數(shù)據(jù)時(shí)不能全面地體現(xiàn)小燈泡伏安特性曲線的規(guī)律．而當(dāng)滑動(dòng)變阻器選R2時(shí),同理可求得小燈泡最大分壓約為3.1 V,此時(shí)小燈泡獲得的最大電壓接近其額定電壓3.8 V,測(cè)量范圍較大,比較合理．同理我們可以求得當(dāng)R的全值電阻為30 Ω時(shí),小燈泡最大分壓為3.21 V;R的全值電阻為40 Ω時(shí),小燈泡最大分壓為3.27 V;R的全值電阻為50 Ω時(shí),小燈泡最大分壓為3.31 V;R的全值電阻為無(wú)窮大時(shí),小燈泡分壓達(dá)最大為3.46 V．

由此可見(jiàn)在這樣的電源供電的情況下,無(wú)論選用多大的滑動(dòng)變阻器也不能使小燈泡獲得額定的電壓．為了使實(shí)驗(yàn)達(dá)到盡可能好的效果:測(cè)量范圍較大;操作方便．本實(shí)驗(yàn)我們應(yīng)該選用20～30 Ω左右的滑動(dòng)變阻器,即實(shí)驗(yàn)2中應(yīng)選R2而不是R1．所以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們常?？吹接忠环N現(xiàn)象:盡管電源電動(dòng)勢(shì)大于小燈泡的額定電壓,但在滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)頭向右滑動(dòng)到右端的過(guò)程中,小燈泡兩端的電壓(電壓表讀數(shù))增加到一定值(還沒(méi)有達(dá)到其額定值)就不再增加,使測(cè)量的范圍達(dá)不到要求,使實(shí)驗(yàn)達(dá)不到預(yù)期效果．這往往就是由于電源內(nèi)阻較大引起的,為達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)效果,應(yīng)更換新電池或內(nèi)阻較小的電源．

從上面兩個(gè)實(shí)驗(yàn)不難看出:供電電路中分壓電路的滑動(dòng)變阻器的選擇不能機(jī)械地套用現(xiàn)成的結(jié)論,應(yīng)該具體問(wèn)題具體分析．如果電源是內(nèi)阻很小的電源,那么滑動(dòng)變阻器全值電阻越小越好,而當(dāng)電源內(nèi)阻較大(相對(duì)于負(fù)載電阻)時(shí),滑動(dòng)變阻器的全值電阻并不是越小越好,有時(shí)甚至還要比負(fù)載電阻大一些．因此在教學(xué)過(guò)程中,我們一定要根據(jù)實(shí)際情況,具體問(wèn)題具體分析,切不可以偏概全,簡(jiǎn)單結(jié)論．

教學(xué)中我們應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備好相關(guān)器材,分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2的操作,讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中去感受實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、操作的煩易、數(shù)據(jù)的特點(diǎn)、結(jié)論的形成,使他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中體會(huì)理論和實(shí)踐的聯(lián)系,逐步形成物理學(xué)科的核心素養(yǎng)．