滑動(dòng)變阻器兩種連接方式的選擇原則*

唐冬英

(石獅市第一中學(xué) 福建 泉州 362700)

滑動(dòng)變阻器兩種連接方式的選擇原則*

唐冬英

(石獅市第一中學(xué) 福建 泉州 362700)

滑動(dòng)變阻器是中學(xué)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要儀器.滑動(dòng)變阻器接入的方式有限流式和分壓式兩種.不管采用哪種連接方式，其目的都是為了通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使待測(cè)電流和待測(cè)電壓能平穩(wěn)地變化，便于采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而減小實(shí)驗(yàn)的誤差.當(dāng)測(cè)量對(duì)象已經(jīng)確定時(shí)，怎么確定滑動(dòng)變阻器是接成限流式還是分壓式呢？要解決好此類問(wèn)題，就要知道限流式和分壓式兩種接法對(duì)滑動(dòng)變阻器的阻值特點(diǎn)要求，知道滑動(dòng)變阻器兩種連接方式的選擇原則.

1 限流式電路中滑動(dòng)變阻器的阻值特點(diǎn)及選擇原則

1.1 當(dāng)滑動(dòng)變阻器RaP的阻值平穩(wěn)變化時(shí)，電路電流能平穩(wěn)變化的條件

如圖1所示，設(shè)電源電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)阻不計(jì)，滑動(dòng)變阻器的最大電阻為R0，負(fù)載電阻為R，滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻值為RaP.

圖1 限流式電路圖

根據(jù)閉合電路歐姆定律，通過(guò)電阻R的電流

電流IR與電阻RaP不是線性關(guān)系，IR隨RaP的增大而減小.那么，R0與R的大小有何關(guān)系時(shí)，電流IR隨

RaP的變化能近似平穩(wěn)地變化呢？

表1 R0

由表1可得到如圖2所示的IR隨RaP的變化圖線.從圖2的曲線可以看出來(lái)，當(dāng)R0

圖2 R0

表2 R0>R時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可得到如圖3所示的IR隨RaP的變化圖線.由圖3曲線可知，隨著RaP均勻地變化，當(dāng)RaP>3R時(shí)，IR能近似平穩(wěn)地變化.這是因?yàn)楫?dāng)RaP>3R時(shí)，IR主要取決于RaP，調(diào)節(jié)RaP的大小可使IR平穩(wěn)的變化，可見(jiàn)當(dāng)R0>R時(shí)，電路宜采用限流式接法.但是，實(shí)際選擇滑動(dòng)變阻器時(shí)，并不是R0越大越好，R0很大，其單位長(zhǎng)度的阻值越大，觸頭P處的a點(diǎn)稍作移動(dòng)，整個(gè)電路總電阻變化很大，通過(guò)電路的電流變化就很大.

由圖3曲線可知，要平穩(wěn)地調(diào)節(jié)電流的變化，滑動(dòng)變阻器的阻值R0一般為待測(cè)電阻R的3～10倍.

圖3 R0>R時(shí)變化曲線

1.2 負(fù)載輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍

當(dāng)RaP=R0時(shí)，滑動(dòng)端處于b，有

當(dāng)RaP=0時(shí)，滑動(dòng)端處于a端，有

UR=Um=E

通過(guò)以上分析可以得出這樣的結(jié)論：限流式接法中，要使滑動(dòng)變阻器起到對(duì)IR的控制作用，使IR近似平穩(wěn)地變化，必須滿足R0>R(或者相差不多)的條件，當(dāng)RaP為待測(cè)電阻R的3～10倍時(shí)，調(diào)節(jié)效果最好.

2 分壓式電路中滑動(dòng)變阻器的阻值特點(diǎn)及選擇原則

2.1 當(dāng)滑動(dòng)變阻器RaP的阻值平穩(wěn)變化時(shí)，輸出電壓能平穩(wěn)變化的條件

如圖4所示，設(shè)電源電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)阻不計(jì)，滑動(dòng)變阻器的最大電阻為R0，負(fù)載電阻為R，負(fù)載輸出端部分的滑動(dòng)變阻器的阻值為RaP.

圖4 分壓式電路圖

將滑片P自a端向b端移動(dòng)，根據(jù)歐姆定律可得輸出電壓為

可見(jiàn)UR與RaP不成線性關(guān)系，輸出電壓不是線性變化的.那么，當(dāng)RaP與負(fù)載R大小關(guān)系怎樣時(shí)，輸出電壓UR是接近線性變化的呢？

設(shè)R0=55 Ω，R分別取5 Ω，10 Ω，50 Ω，500 Ω，1 000 Ω，∞(即不接入負(fù)載時(shí))時(shí)，調(diào)節(jié)滑片P，使RaP分別為R0的0.1，0.2，0.3，0.4，…，1倍，得到對(duì)應(yīng)的輸出電壓UR的大小如表3所示.

表3 分壓接法R0=50 Ω時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 分壓接法變化曲線

這是因?yàn)楫?dāng)R?R0時(shí)，R與RaP的并聯(lián)值R并≈RaP，而整個(gè)電路的總阻約為R0，那么R兩端電壓

顯然UR∝RaP，且RaP越小，這種線性關(guān)系越好，電表的變化越平穩(wěn)均勻，越便于觀察和操作.

通過(guò)以上分析可以得出這樣的結(jié)論：分壓式接法中，要使滑動(dòng)變阻器起到對(duì)UR的控制作用，必須滿足R0

2.2 負(fù)載輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍

由圖4可知：

當(dāng)RaP=0時(shí)，滑動(dòng)端處于a端，UR=0.

當(dāng)RaP=R0時(shí)，滑動(dòng)端處于b端，UR=E.

即UR的變化范圍為0～E.顯然，滑動(dòng)變阻器被當(dāng)作分壓器使用時(shí)，調(diào)節(jié)負(fù)載上電壓的范圍比限流時(shí)調(diào)節(jié)范圍大.

總之，滑動(dòng)變阻器在電路中的接法是用限流式還是分壓式，應(yīng)根據(jù)負(fù)載電阻的大小和滑動(dòng)變阻器阻值的大小關(guān)系及電壓的調(diào)節(jié)范圍等要求綜合考慮而定.

3 滑動(dòng)變阻器的限流式和分壓式的應(yīng)用

【例題】一個(gè)小燈泡上標(biāo)有“6 V，0.2 A”字樣，現(xiàn)要描繪該燈泡的伏安特性曲線，有下列器材供選用：

A．電壓表(0～5 V，內(nèi)阻1.5 kΩ)

B．電壓表(0～10 V，內(nèi)阻3.0 kΩ)

C．電流表(0～0.3 A，內(nèi)阻2.0 Ω)

D．電流表(0～0.6 A，內(nèi)阻1.0 Ω)

E．滑動(dòng)變阻器(10 Ω，2 A)

F．滑動(dòng)變阻器(100 Ω，0.5 A)

G．學(xué)生電源(直流9 V)，還有開關(guān)、導(dǎo)線等.

(1)實(shí)驗(yàn)中所用的電壓表應(yīng)選______，電流表應(yīng)選______，滑動(dòng)變阻器應(yīng)選______.

(2)下面方框(圖6)中畫出實(shí)驗(yàn)電路圖，要求電壓從零開始測(cè)量.

(3)將實(shí)物(圖7)按你所畫的電路連接起來(lái).

圖6 (2)問(wèn)題圖

圖7 (3)問(wèn)題圖

分析:電壓表的選擇，器材的選擇需安全和精確，需根據(jù)燈泡的額定電壓和額定電流選擇電流表和電壓表的量程.因小燈泡上標(biāo)有“6 V，0.2 A”字樣，小燈泡的額定電壓為6 V，從安全和精確度方面考慮，若用3 V量程電壓表，電壓不能超過(guò)3 V，所以電壓表量程選10 V的，故電壓表應(yīng)選B，選A則量程太小.

電流表的選擇，小燈泡的額定電流為0.2 A，為減小讀數(shù)誤差，電流表量程選0.3 A的，所以電流表應(yīng)選C，選D量程太大.

滑動(dòng)變阻器接法的選擇，因要求電壓從零開始連續(xù)調(diào)節(jié)，因?yàn)橄蘖魇浇臃妷鹤钚≈颠_(dá)不到零，所以滑動(dòng)變阻器應(yīng)用分壓式接法.

滑動(dòng)變阻器大小的選擇，因?yàn)榉謮菏浇臃ㄖ校挥性诨瑒?dòng)變阻器的電阻小于待測(cè)電阻時(shí)，滑動(dòng)變阻器才能起到控制作用，使待測(cè)電阻兩端的電壓平穩(wěn)的變化，方便觀測(cè)數(shù)據(jù).小燈泡正常工作時(shí)的電阻是30 Ω，滑動(dòng)變阻器E的電阻比小燈泡的電阻小，所以滑動(dòng)變阻器選應(yīng)選阻值小的變阻器E，若選滑動(dòng)變阻器F，因其阻值比燈泡阻值大，不能使燈泡兩端電壓平穩(wěn)變化.

電路圖和實(shí)物連線如圖8,9所示.

圖8 (2)問(wèn)答案

圖9 (3)問(wèn)答案

點(diǎn)評(píng)：(1)解決本題的關(guān)鍵是掌握器材選取的原則，明確電表和滑動(dòng)變阻器的選擇依據(jù)；(2)明確電流表內(nèi)、外接法的選擇原則，知道滑動(dòng)變阻器分壓式和限流式接法的區(qū)別；(3)用曲線連接實(shí)物圖，注意電表的極性以及滑動(dòng)變阻器分壓式連接.

總之，如若切實(shí)掌握了限流式和分壓式兩種接法對(duì)滑動(dòng)變阻器的阻值特點(diǎn)要求，知道滑動(dòng)變阻器兩種連接方式的選擇原則，有關(guān)滑動(dòng)變阻器的連接方式問(wèn)題就可迎刃而解了.

*福建省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2015年度常規(guī)課題“高中物理教材二次開發(fā)案例研究”，項(xiàng)目編號(hào)：FJJK15-454

2016-10-30)