淺析電學實驗中如何選擇滑動變阻器

陳 俊

(南京市第九中學 江蘇 南京 210018)

電學實驗是高中物理實驗中很重要的一部分內容，也是高考物理實驗部分的重點和難點.電學實驗的考查主要集中在電路的設計和選擇、儀器的選擇等.而滑動變阻器的合理選擇則是電學實驗中的一個難點.那么在電學實驗中該如何選擇滑動變阻器及滑動變阻器接入電路中的方式呢？

在實驗中滑動變阻器通常用來控制和調節某一段電路或某個用電器兩端的電壓或通過電路的電流，所以通常是連接在控制電路中.在控制電路中，滑動變阻器的連接方式有兩種：限流接法和分壓接法.

1 限流接法

圖1所示的電路為滑動變阻器的限流接法.電源電動勢為E(內阻不計).滑動變阻器的最大阻值為R0，被測電阻的阻值為R.閉合開關后，R兩端的電壓為

其可調范圍為

圖1

限流接法的特點是連接簡單，始終只有部分電阻接入到電路中，在變阻器上消耗的能量相對而言比較少，但是電壓調節范圍不大.在對電壓的調節要求不高的情況下可以選用.

滑動變阻器采用限流接法連接到電路中時，選取多大的變阻器比較合適呢？

假設R=100Ω(電源電動勢E=1V，內阻不計)

(1)如果R0的最大值為10Ω，則整個電路中的電阻的變化范圍為100～110Ω，電阻R兩端的電壓U隨Rx的變化情況如圖2所示.

圖2

從圖中可以看出，電阻R兩端的電壓U只在0.9V至1.0V之間調節，調節范圍很小，不能起到控制電路的作用.

(2)如果R0的最大值為100Ω，電阻R兩端的電壓U隨Rx的變化情況如圖3所示.

圖3

從圖中可以看出，電阻R兩端的電壓U大概在0.5V至1.0V之間調節，電壓變化比較平穩，能較好地起到控制電路的作用，但是電壓的調節范圍比較窄.

(3)如果R0的最大值為500Ω，電阻R兩端的電壓U隨Rx的變化情況如圖4所示.

圖4

從圖中可以看出，電阻R兩端的電壓U大概在0.1V至1.0V之間調節，電壓的調節范圍比較寬，電壓變化比較平穩，能較好地起到控制電路的作用.

(4)如果R0的最大值為1 000Ω，電阻R兩端的電壓U隨Rx的變化情況如圖5所示.

圖5

從圖5中可以看出，電阻R兩端的電壓U在0.1V至1.0V之間調節，調節范圍寬，但是通過分析圖線可以看出，在Rx較小時，電壓變化很快，例如從零變到100Ω的10%的變化過程中，電壓從1V變化為0.5V，而在剩下的90%的調節過程中，電壓從0.5V變到約0.1V，這樣帶來的結果是滑動變阻器不易控制，調節起來很難提高精確度，不能起到控制電路的作用.

綜上所述，當R0與R的阻值比較接近時，避開了電壓調節范圍過小和調節精度過低的缺陷，R0介于2R到5R之間時，限流作用效果好且操作方便,故較為合適.

2 分壓接法

圖6所示的電路為滑動變阻器的分壓接法.電源電動勢為E(內阻不計)，滑動變阻器的最大阻值為R0，被測電阻的阻值為R.閉合開關后，R兩端的電壓為

其可調范圍為0～E.

圖6

分壓接法的特點是滑動變阻器全部接入到電路中，在變阻器上消耗的能量相對而言較多，但是電壓調節范圍大.在對電壓的調節要求范圍較寬的情況下優先選用，特別是對于要求電壓從零開始調節時，只能選用分壓接法.

滑動變阻器采用分壓接法連接到電路中時，選取多大的變阻器比較合適呢？

假設R=100Ω(電源電動勢E=1V，內阻不計)

(1)如果R0的最大值為10Ω，電阻R兩端的電壓U隨Rx的變化情況如圖7所示.

圖7

從圖中可以看出，電阻R兩端的電壓U隨變阻器電阻的阻值變化幾乎呈線性關系，能很好地起到控制電路的作用.

(2)如果R0的最大值為50Ω，電阻R兩端的電壓U隨Rx的變化情況如圖8所示.

圖8

從圖中可以看出，電阻R兩端的電壓U隨變阻器電阻的阻值變化較平穩，能很好地控制電路.

(3)如果R0的最大值為100Ω，電阻R兩端的電壓U隨Rx的變化情況如圖9所示.

圖9

從圖中可以看出，電阻R兩端的電壓U隨變阻器電阻的阻值變化較平穩，也能起到較好的控制電路的作用.

(4)如果R0的最大值為1 000Ω，電阻R兩端的

電壓U隨Rx的變化情況如圖10所示.

圖10

從圖中可以看出，電壓U隨滑動變阻器的阻值變化情況為：在0～900Ω的調節過程中，電壓由零變化到約0.5V；而在剩下的900～1 000Ω的調節過程中，電壓由約0.5V變到1V，在實驗中這樣帶來的結果是滑動變阻器不易控制，調節起來很難提高精確度，不能起到控制電路的作用.

當然，因為分壓接法中變阻器全部阻值接在電路中，電路消耗的能量較大，還要考慮到滑動變阻器允許通過的最大電流的限制.

綜上所述，在其他條件滿足的前提下，當滑動變阻器的阻值比待測電阻的阻值小時，避開了滑動變阻器不易控制帶來調節精度過低的缺陷，R0介于0.1 R到0.5 R之間，分壓線性效果好且操作方便，適合選用.