電學設計型實驗中“控制電路”的精要

近年來高考中的物理實驗不乏新穎靈活，尤其是設計型實驗，既源于教材，又高于教材，綜合考查了學生靈活應用知識的能力，創造能力和實驗能力。可以肯定的說，此類實驗仍是今后高考考查的熱點。筆者就電學設計型實驗進行了一些有益的探索。電學設計型實驗的主干：一是測量電路，主要是由電表與電阻構成；二是控制電路，主要是由滑動變阻器構成。其關鍵：一是實驗原理，二是器材選取。就控制電路而言，器材選取是實驗的關鍵因素，是學習和復習必須分清和重視的基本知識。

控制電路的重要元件是滑動變阻器。

滑動變阻器是通過改變電阻絲的長度來調節電阻值的一種變阻器，結構如圖1所示。表面涂有絕緣漆的電阻絲密繞在絕緣管（瓷管或膠木管）上，電阻絲的兩端分別接在絕緣管兩端的接線柱A、B上。電阻絲與滑片接觸的地方，絕緣漆已經被刮開，以保持滑片內側觸點與電阻絲連通。滑片P可沿金屬桿左右滑動，金屬桿兩端裝有兩個接線柱C、D，無論選擇C、D中的哪一個接線柱，效果相同，即C、D為等效電勢點。

滑動變阻器的基本連接方式：（其中Rf為測量電路的負載，R0為滑動變阻器的最大值，U為“+”、“-”兩點間的電勢差）。

1.限流式接法：如圖2甲所示，連接滑動變阻器的導線應接其同側端或對角線端(圖2)。

電路特點：電路簡單，能耗少，但電流電壓的調節范圍較小：負載Rf 上的電壓調節范圍：Rf U／(Rf+R0)≤Uf≤U；Rf上的電流調節范圍:U／(Rf+R0)≤If≤U／Rf。

滑動變阻器的選用：一般用于負載的電阻小于變阻器電阻值或與變阻器電阻值差不多時，用作控制電路。通常限流式接法選較大電阻值的滑動變阻器，這是減小實驗誤差的需要。

例1 用伏安法測量某電阻Rx的阻值，現在實驗器材如下：

A．待測電阻R：范圍在5~8Ω，額定功率1W；

B．電流表○A1：量程0~0.6A（內阻0.2Ω）；

C．電流表○A2：量程0~3A（內阻0.05Ω）；

D．電壓表○V1：量程0~3V（內阻3kΩ）；

E．電壓表○V2：量程0~15V（內阻15kΩ）；

F．滑動變阻器R：0~100Ω；

G．蓄電池：電動勢12V；

H．導線，電鍵。

為了準確地測量，并保證器材安全，電流表應選_____，電壓表應選_____，并畫出電路圖。

解析 該題既要選擇線路結構，又要選擇儀器。先確定測量電路，額定電壓Um=PRx=8≈2.8V，應選電壓表○V1。額定電流 Im=PRx=15≈0.45A應選電流表○A1。由RARV=24.5Ω＞Rx知，應選外接法。再確定控制電路。由R=100Ω＞10Rx知，應選擇限流方式電路，其電路圖如圖3所示。

2.分壓式接法：（圖4）如圖乙所示，與滑片相連的電路和變阻絲并聯分壓，必須上接一端下接兩端。

電路特點：電流電壓的調節范圍較大（可以從零起調）：負載Rf上的電壓調節范圍：

0≤Uf≤U；

Rf上的電流調節范圍：

0≤I≤U／Rf。

滑動變阻器的選用：①通常測量電路中（實驗儀器——電表量程或待測電阻）的最大允許電流小于限流電路中的最小電流，需要用分壓式；

②當負載電阻遠大于變阻器阻值（Rf≥R0），負載分壓所得到的電壓幾乎與負載無關，僅由與負載相連的滑片的位置確定。

③要求盡可能高的精度，并能測得多組數據是，（如校電表），必須用分壓式。

例2 如圖5所示為用伏安法測量一個定值電阻阻值的實驗所需的器材實物圖，器材規格如下：

（1）待測電阻Rx（約100Ω）；

（2）直流毫安表（量程0~10mA，內阻50Ω）；

（3）直流電壓表（量程0~3V，內阻5kΩ）；

（4）直流電源（輸出電壓4V，內阻不記）；

（5）滑動變阻器（阻值范圍0~15Ω，允許最大電流1A）；

（6）電鍵1個，導線若干條。

根據器材的規格和實驗要求，在本題的實物圖上連線。

解析 該題中儀器已給定，只需選擇線路結構。

解1：先確定測量電路，由R0=RARV=500Ω﹥Rx 知，應選外接法；再確定控制電路，由R=15Ω＜Rx/2知，應選分壓式電路；最后畫出電路圖如圖6所示。實物連線如圖7所示。

解2：測量電路Rx/RA=100/50=2，沒達到內接要求，又因為RV/RA=5 000/100=50，所以電流表用外接。控制電路若用限流式電路，當開始使用最大阻值時電路中的最小電流Ii=E/（R+RA+Rx ）=4/（100+15+50）≈0.022 4A=24mA，已超電流表量程，所以為保護器材，必須用分壓式電路，且開始時觸頭滑到最右端，使流過電流表電流最小。

連線時應先連電源，開關，滑動變阻器兩端，再連電流表電壓表。

總之，滑動變阻器的電阻值僅由滑片位置（即滑片移動時的電阻值的長度）確定，可以連續改變電阻值，選用的變阻器電阻值越低，單位長度阻值就越小，滑片移動時引起的電阻值變化率就越小，使得電路控制也就越精細，越方便。因此，在實驗許可的范圍，應盡量選阻值低的變阻器。

(欄目編輯王柏廬)

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。