電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的滑動(dòng)變阻器

在電學(xué)試驗(yàn)中，經(jīng)常用滑動(dòng)變阻器對(duì)電壓、電流進(jìn)行調(diào)控。滑動(dòng)變阻器在電路中通常有兩種連接方法，下面通過(guò)實(shí)例詳細(xì)的分析其連接原理。

1 滑動(dòng)變阻器的限流接法

如圖1所示電路圖，電路中滑動(dòng)變阻器起限流作用，負(fù)載R0的電壓調(diào)節(jié)范圍約為R0R0+RE-E。在合上開(kāi)關(guān)前，要使滑動(dòng)變阻器所使用的阻值最大，因此在閉合開(kāi)關(guān)前一定要檢查滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭P是否在最大值的一端（圖1中應(yīng)在a端）

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2 滑動(dòng)變阻器的分壓接法

如圖2所示電路圖，電路中滑動(dòng)變阻器起分壓作用，當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭P自a端向b端滑動(dòng)時(shí)，負(fù)載上電壓的范圍約為0-E，顯然比滑動(dòng)變阻器限流接法時(shí)，電壓調(diào)節(jié)范圍大，合上開(kāi)關(guān)前滑片應(yīng)在a端，以使負(fù)載R0上的電壓和電流最小。

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3 滑動(dòng)變阻器的選擇方法

通常情況下根據(jù)使用的方便性，滑動(dòng)變阻器以限流接法為主，但在下列情況下，必須選擇滑動(dòng)變阻器的分壓接法。

3.1 題目所提供的實(shí)驗(yàn)儀器，電表量程不夠，即電壓表或電流表量程太小。

例1 用伏安法測(cè)金屬的電阻RX（約為5Ω）的值，已知電流表內(nèi)阻為1Ω，量程為0.6A，電壓表內(nèi)阻為幾千歐，量程為3V，電源電動(dòng)勢(shì)為9V，滑動(dòng)變阻器的阻值為0-6Ω，額定電流為5A，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)出測(cè)量RX的電路原理圖。

解析 因?yàn)镽VRX﹥RXRA，所以電流表應(yīng)采用外接法。若滑動(dòng)變阻器用限流接法，則負(fù)載RX的電壓變化范圍為4511-9V，顯然所提供的電壓表量程不夠，應(yīng)采用分壓接法，電路如圖3所示。

3.2 滑動(dòng)變阻器的阻值遠(yuǎn)小于被測(cè)電阻或電路中串聯(lián)的其他電阻阻值。

在滑動(dòng)變阻器的阻值遠(yuǎn)小于被測(cè)電阻或電路中串聯(lián)的其他電阻阻值時(shí)，若采用串聯(lián)限流接法，即使滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)頭從一端滑至另一端，電路中電流變化仍極小，此時(shí)電路應(yīng)采用分壓接法。

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例2 某電壓表的內(nèi)阻在20KΩ 50KΩ之間，現(xiàn)要測(cè)量其內(nèi)阻，實(shí)驗(yàn)室提供下列可選用的器材：

待測(cè)電壓表V（量程3V）

電流表A1（量程200μA）

電流表A2（量程5mA）

電流表A3（量程0.6A）

滑動(dòng)變阻器R（最大阻值1KΩ）

電源E（電動(dòng)勢(shì)4V）

開(kāi)關(guān)K

⑴所提供的電流表中，應(yīng)選用_____（填寫(xiě)字母代號(hào)）

⑵為了盡量減小誤差，要求測(cè)多組數(shù)據(jù)。試在圖4方框中畫(huà)出符合要求的實(shí)驗(yàn)電路圖。

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解析 ⑴因電壓表的內(nèi)阻在20KΩ 50KΩ之間電源電動(dòng)勢(shì)為4V，所以經(jīng)過(guò)電壓表最大電流為200μA，應(yīng)選用電流表A1。

⑵滑動(dòng)變阻器如果采用限流接法，則電壓調(diào)節(jié)范圍為R′ER′+R E，其中電壓表內(nèi)阻R′值很大，這樣使得R′ER′+R接近于E，調(diào)節(jié)范圍太小，實(shí)驗(yàn)無(wú)法完成，因此滑動(dòng)變阻器應(yīng)采用并聯(lián)分壓接法，如圖5所示。

3.3 要求回答中某部分電路的電壓從零開(kāi)始連續(xù)變化。

例3 在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實(shí)驗(yàn)中，使用的小燈泡“6V，3W”，其他供選擇的器材有：電壓表V（量程6V，內(nèi)阻20KΩ）；電流表 （量程3A，內(nèi)阻0.2Ω ）；電流表A2（量程0.6A，內(nèi)阻1Ω）；變阻器R1（0-1000Ω，0.5A）；變阻器R2（0-20Ω，2A）；學(xué)生電源E（6-8V）；開(kāi)關(guān)S及導(dǎo)線若干。

⑴實(shí)驗(yàn)中要求在電壓表0-6V范圍內(nèi)讀取并記錄下12組左右不同的電壓值U和對(duì)應(yīng)的電流值I，以便作出伏安特性曲線，則在上述器材中，電流表應(yīng)選_______，變阻器應(yīng)選______。

⑵該實(shí)驗(yàn)為什么必須采用電流表外接法？

⑶畫(huà)出此實(shí)驗(yàn)的原理圖。

解析 因?yàn)槭褂玫男襞轂椤蔼?V，3W”，根據(jù)公式P=UI得：I=PU=3W6V=0.5A，所以應(yīng)選用電流表A2（量程0.6A，內(nèi)阻1Ω）。由公式P=U2R得：R=U2P=623Ω=12Ω。因?yàn)镽VRX﹥RXRA，所以電流表應(yīng)采用外接法。實(shí)驗(yàn)中要求在電壓表0-6V范圍內(nèi)讀取并記錄下12組左右不同的電壓值U和對(duì)應(yīng)的電流值I，所以應(yīng)采用分壓法，變阻器應(yīng)為變阻器R2（0-20Ω，2A）。此實(shí)驗(yàn)的原理圖如圖6所示。

3.4 要求對(duì)改裝后的電壓表進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)把滑動(dòng)變阻器接成分壓電路

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例4 將滿偏電流Ig=300μA、內(nèi)阻未知的電流表G改裝成電壓表并進(jìn)行核對(duì)。

⑴利用圖7所示的電路測(cè)量電流表G的內(nèi)阻（圖中電源的電動(dòng)勢(shì)為4V）：先閉合s1，調(diào)節(jié)R，使電流表指針偏轉(zhuǎn)到滿刻度；再閉合s2，保持R不變，調(diào)節(jié)R′，使電流表指針偏轉(zhuǎn)到滿刻度的23，讀出此時(shí)R′的阻值為200Ω，則電流表內(nèi)阻的測(cè)量值Rg=_____Ω。

⑵將該表改裝成量程為3V的電壓表，需（填“串聯(lián)”或“并聯(lián)”）阻值為R0=_____Ω的電阻。

⑶把改裝好的電壓表與標(biāo)準(zhǔn)電壓表進(jìn)行核對(duì)，畫(huà)出實(shí)驗(yàn)電路圖。

解析 ⑴設(shè)電流表滿偏時(shí)，示數(shù)為I，根據(jù)并聯(lián)電路的特點(diǎn)有：2I3#8226;Rg=I3#8226;R′，所以Rg=100Ω。

⑵把電流表改裝為電壓表需串聯(lián)電阻，根據(jù)串聯(lián)電路特點(diǎn)：IgRg=U-IgR0，代入數(shù)值得：R0=9900Ω。

⑶校準(zhǔn)電表要求是對(duì)改裝好的電壓表量程程范圍內(nèi)的任意電壓進(jìn)行校準(zhǔn)，電壓調(diào)節(jié)范圍應(yīng)大且從零開(kāi)始慢慢的增大，因此采用分壓接法，如圖8所示。