數顯限流和分壓電路實驗儀

龔愛華

數顯限流和分壓電路實驗儀

龔愛華

（重慶市大足中學，重慶 402360）

針對中學物理教學中限流和分壓電路各部分電流和電壓變化規律這一教學難點，嘗試利用電流、電壓數字顯示器，可拆換式滑動變阻器，小燈泡，可換元件等來制作數顯限流和分壓電路實驗儀，讓學生在實驗操作、觀察過程中對這兩種電路的電流和電壓變化規律有深刻的認識，使教學過程更加直觀，輕松化解教學難點，激發學生的學習興趣．

限流電路；分壓電路；實驗儀．

限流和分壓電路是中學物理電路板塊教學中的基本電路形式，也是中考和高考的重點考查內容．在實際教學過程中發現，學生在解決限流和分壓電路有關問題時，出錯率高．在教學過程中，教師圍繞這兩種電路中各部分電流和電壓變化規律費盡心思，用大量的推理和計算幫助學生解決這個問題，可學生對這一難點，總是不易弄清楚，有的學生死記結論，生搬硬套，在實際應用中出現這樣那樣的錯誤，導致學生覺得物理難學，學不懂．長此以住，學生就對物理這一非常有趣的自然學科失去學習興趣．分析出錯原因，是學生對這兩種電路中的電壓和電流變化規律掌握不牢．能不能制作一個實驗儀器，讓學生觀察這兩種電路中的電流和電壓變化規律呢？筆者通過大量的實驗，最終用電流、電壓數字顯示器，可拆換式滑動變阻器，小燈泡，可換元件等來制作“數顯限流和分壓電路實驗儀”，輕松化解這一教學難點．實驗儀通過測量滑動變阻器兩下接線柱電流、電源電壓、滑片電壓，讓學生通過實驗觀察，看清兩種電路中電流和電壓變化規律，并且在實驗過程中還有出乎意料的現象，激發了學生的學習興趣，在學生腦海中留下深刻印象，起到了很好的教學效果，設計原理如圖1所示．

圖1

1 儀器特點及作用

（1）特點．

① 通過轉換開關的斷開和閉合得到限流或分壓電路，讓學生認清兩種電路的不同之處．

② 兩個電流電壓顯示器的數值，讓學生觀察分壓和限流電路的電流和電壓變化規律，化解教學難點．

③ 實驗儀電路規范，整潔，便于學生看清是何種電路．

④ 可拆換式滑動變阻器和可換元件組合使用，讓學生輕易理解何時選擇限流電路，何時選擇分壓電路．

⑤ 儀器操作簡單，效果好，功能多．

（2）作用．

① 幫助學生掌握限流和分壓電路中的電流和電壓變化規律．

② 用于中學物理測小燈泡的電阻、伏安特性曲線、測電源內阻等教學．

③ 對學生進行節能教育和安全教育．

④ 激發學生對物理的學習興趣和探究精神．

2 所需材料

不同粗細的電阻絲各1圈，電流、電壓數字顯示器2個，實驗室用單刀開關2個，1Ω、1000Ω、20Ω，50Ω電阻各1個，亞克力板1塊，木板、包邊條，導線、接線柱、螺絲適量，手按開關1個，銅皮、鋁皮、邊長為5mm的方形鐵桿等．

3 制作和組裝

3．1 滑片組件的制作

（1）取1段長19．5cm的方形鐵桿，兩端分別用小車床制作1段長為1．3cm，直徑為0．4mm的圓桿，并用絲繞出1段長為1cm，直徑為4mm的絲桿如圖2所示．

（2）用鋁皮制作2個邊長為1．5cm的直角，并在兩直角面上用電鉆鉆一個直徑為4mm的孔，如圖3所示．

圖3

（3）用銅皮分別制作如圖4，圖5、圖6所示的元件，按圖4、圖5、圖6從上到下組裝到一個廢棄的滑動變阻器的滑片蓋上，制作成滑片組件．

圖4

圖5

圖6

（4）將金屬桿穿過組裝好的滑片組件孔②，直角組裝到金屬桿的兩端，并用螺絲固定，組成如圖7所示的滑片組件．

圖7

3．2 電阻板制作

（1）用亞克力板制作兩塊如圖8所示的電阻板骨架，尺寸及規格如圖8上標示（左右對稱），所有孔的直徑都一樣．

圖8

（2）用電阻絲在骨架上緊繞兩個電阻分別為20Ω和50Ω的電阻板．

（3）將電阻絲兩端分別用螺絲和鏈接銅片固定，制作好后如圖9所示．

圖9

3．3 可換元件制作

（1）用1塊15×100mm的銅皮卷成一個有彈性的圓柱，當不用小燈泡時插入燈座中，接通電路．

（2）用1塊10×70mm的銅皮制作一根短路線，當不用可換元件時接通電路．

（3）用1Ω5W、1000Ω5W的電阻制作兩個電阻可換元件，探究電路電阻過大和過小時，移動滑片時電流和電壓變化的情況．

（4）用20Ω5W的電阻制作一個電阻可換元件，用于探究不用小燈泡時的限流和分壓電路．3．4 面板制作及組裝

（1）取1塊長寬分別為35×26．5cm的裝修后剩下的木板．

（2）將可拆換式滑動變阻器（由滑片組件、電阻板組成）、電流電壓數字顯示器、燈座、可換元件座、顯示器開關、接線柱、開關等元件固定到木板的適當位置，并用銅導線連接起來．

（3）用木板、裝修用包邊條將面板裝飾一下，在相應的元件位置貼上相關標識，最后制作完成如圖10所示．

圖10

圖11

4 實驗儀的功能展示

4．1 限流作用

如圖11所示，用銅導線代替可換元件，接通電源，將限流、分壓電路轉換開關斷開，組成限流電路．滑片滑到最右邊，閉合開關，將滑片從右邊向左邊慢慢移動，觀察小燈泡的發光情況，并在表1中記下相應數據，更換電阻板，在表2中記下相應數據．

表1 （電源電壓為9V，R滑＝20Ω，可換元件為銅導線）

數 項目據項目滑動變阻器接入電路的電阻（約）_ R滑3 R滑／4 R滑／2 _ R滑／4 0 _ _ _ _ _ _ _ U源／V _ _ _ _ _ _ _ 9 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 9 _ _ 9 _ _ 8．9 _ _ 8．9 _ _ _ _ _ _ U滑／V _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1．7 _ _ _ _ 2．5 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 3．5 _ _ 5．7 _ _ 8．8 _ _ 1 4 8 1 6 2 2 0 2 2 5 7 3 3 1 I右／m A 0 0 0 0 0 I燈／m A 1 4 8 1 6 2 2 0 2 2 5 7 3 3 1 P總／W 1．3 3 2 1．4 5 8 1．8 1 8 2．2 8 7 3 2．9 4 5 9 I左／m A

從表1、表2實驗數據，學生可以清楚地看出：

（1）限流電路中，無論滑片處在什么位置，滑片兩端（小燈泡）電流和電壓都大于0．

（2）當滑片從右向左移動過程中，滑片兩端電壓，流過滑片、小燈泡的電流逐漸增大．

（3）無論滑片在什么位置，I右電流始終為0，說明流過滑動變阻器的電流路徑為：電源、左電流電壓數字顯示器、左接線柱、滑動變阻器、滑片組件、小燈泡、負極，而滑片、右接線柱、右電流電壓數字顯示器間沒有電流．

圖12

（4）電源消耗的總功率隨著滑動變阻器接入電路的電阻減小而增大．

4．2 分壓作用如圖12所示，用銅導線代替可換元件，將分壓限流轉換開關閉合，組成分壓電路．接通電源，滑片滑到最右邊，閉合開關，將滑片從右邊向左邊慢慢移動，觀察小燈泡的發光情況，并在表3中記下相應數據，更換電阻板，在表4中記下相應數據．

表3 （電源電壓為9V，R滑＝20Ω，可換元件為銅導線）

數 項目據項目_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _滑動變阻器接入電路的電阻（約）R滑_______3 R滑／4 R滑／2 R滑／4 0 _ _ _ _ _ _ U源／V 9 9 9 8．9 8．8 _ _ _ _ U滑／V 0 1．1 2．4 4．8 8．7 _ I左／m A 1 7 5 2 1 2 2 6 3 3 5 7 4 9 5 I右／m A 1 7 5 7 5 8 8 1 1 7 1 6 8 I燈／m A 0 1 3 7 1 7 5 2 4 0 3 2 7 P總／W 1．5 7 5 1．9 0 8 2．3 6 7 3．1 7 7 3 4．3 5 6

從表3、表4實驗數據，學生可以清楚地看出：

（1）分壓電路中，當滑片在最右邊時，滑片兩端（小燈泡）電流和電壓都為0．

（2）當滑片從右向左移動過程中，滑片處電壓逐漸增大，而滑動變阻器I右的電流是先減小，然后增大．

這一現象出乎學生的意料，引起高中學生強烈的好奇心，激發學生的求知欲望（平常滑片從右向左移動過程中，要么電流變大，要么電流減小）．教學中演示了這一實驗現象后，教師因勢利導，引導學生對分壓電路進行分析和計算，得出了與實驗完全一致的結論．學生也對分壓電路有了更深刻的認識和理解．

（3）當滑片從右向左移動過程中，滑片兩端電壓、流過滑片、小燈泡的電流（I＝I左－I右）逐漸增大，并且不是線性變化．

（4）電源消耗的總功率隨著滑片向左移動，逐漸增大．

4．3 限流和分壓電路的選擇

通過以上探究實驗，用可換元件探究特殊情況，學生可以比較容易得出以下結論．

（1）相同情況下，分壓電路消耗的功率要大于限流電路，所以當兩種電路都滿足實驗要求時，從節能的角度出發，應選擇限流電路，同時也對學生進行節能減排教育．

（2）如果控制電路的電壓和電流要求從0開始變化，這時只能選擇分壓電路，如測量小燈泡的伏安特性曲線，收音機音量控制等電路就只能采用分壓電路．

（3）無論分壓或限流電路，在滿足實驗要求的前提下，盡量選擇阻值較大的滑動變阻器，以減小電源消耗的功率，達到節能減排的目的，也是實際電路設計中必須注意的一個問題．

5 功能擴展

用一個6V的直流電動機作可換元件，還可以探究電流通過電動機做功，計算公式只能用W＝UIt，而W＝I2Rt等變形公式只計算了電動機發熱消耗的電能．

在教學過程中演示好物理實驗，有助于學生深刻地理解所要研究的物理知識的本質，激發學生學習物理的濃厚興趣，轉變以往被動的知識灌輸模式，讓學生走向積極、主動的自主性學習，從而實現真正的高效課堂．特別是當學生看到自己的教師帶著自制的實驗器材，準確、高效、演示實驗現象，快速得出實驗結論，就會從內心深處產生對教師崇敬和喜歡，從而也喜歡上教師所教的學科—物理．

1 王小慶，代黎娜．真正優化物理實驗實現高效物理課堂［J］．中學物理教學參考，2015（12）：58－59．

2 何文明．談分壓電路和限流電路對滑動變阻器的選擇［J］．物理教師，2002（1）：20－21．

2016－08－15）