淺談伏安法測外阻實驗電路設(shè)計

張龍

中學(xué)物理中，直流電路的概念及計算在降低要求的情況下，在初中已有堅實的基礎(chǔ)，略有躍遷的是全電路及電動勢概念，但全電路體系嚴(yán)密，思路頗順，不足為慮。唯一使學(xué)生困惑的是直流電路設(shè)計，且在近幾年高考中所占比例有上升趨勢。為了使學(xué)生少走彎路，走出困惑，特對伏安法測外阻實驗電路設(shè)計發(fā)表一些看法，就教于同行。

筆者認(rèn)為，伏安法測外阻實驗電路應(yīng)考慮設(shè)計以下兩方面電路。

第一，伏特表、安培表的接法。常有以下兩種電路，如圖（1）（2），外接伏安法和內(nèi)接伏安法。不管采用何種電路，由于電表的接入，不可避免產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。設(shè)計怎樣的電路，才盡可能減少誤差呢？下面就圖（1）（2）應(yīng)用并聯(lián)分流，串聯(lián)分壓加以分析。

圖（1）中：R測=■，R真=■，因為I>IR，所以R測

圖（2）中：R測=■，R真=■

因為U>UR，所以R測>R真，為使測量值盡量接近真值，只能盡量減小UA，據(jù)串聯(lián)分壓，只能滿足RA≤RX。以上分析表明，伏特表內(nèi)阻遠大于待測電阻阻值，則應(yīng)設(shè)計使用外接伏安法電路。若安培表內(nèi)阻遠小于待測電阻阻值，則應(yīng)設(shè)計使用內(nèi)接伏安法電路。

第二，控制電路基本原件—滑動變阻器的連接。常有以下兩種連接方式，如圖（3）（4）分壓式接法和限流式接法。圖（3）分壓式接法中，AB為供電電路輸出端。接線特點是電源與滑動變阻器組成閉合電路，而被測電路與滑動變阻器的一部分電阻并聯(lián)，該接法對被測電路的電壓調(diào)節(jié)范圍在不計電源內(nèi)阻情形下為：0～ε。圖（4）限流式接法中，AB為供電電路的輸出端。接線特點是電源、滑動變阻器與待測電阻三者串聯(lián)。對外供電電壓最大可調(diào)范圍為：■～ε。其中RX為待測電阻，R為滑動變阻器的總阻值，電源內(nèi)阻不計。

以上分析可知，分壓接法比限流接法電壓調(diào)節(jié)范圍大，且可以從0調(diào)起。特別是當(dāng)RX≥R時，限流法實際起不到調(diào)節(jié)電壓作用。至此則出現(xiàn)一個非常尖銳的問題，是否任何情況下，都可接成分壓電路呢？答案是否定的。因為還有一個操作方便的問題。當(dāng)R≥RX時，當(dāng)滑動變阻器滑動觸頭滑至與RX并聯(lián)部分電阻很大時，再滑動觸頭對并聯(lián)部分總電阻影響就極小，從而減緩對電壓的調(diào)節(jié)速度，影響實驗的正常進行。因此，在實驗中究竟將滑動變阻器如何接入電路要據(jù)實驗要求和所給器材的規(guī)格決定。若實驗明確要求電壓從0調(diào)起，只能選用分壓接法。若要求不明確，且電壓調(diào)節(jié)范圍不需太大時，兩種接法都可以。但一般情況下限流接法中要選用阻值較大的滑動變阻器，分壓接法中應(yīng)選用阻值較小的滑動變阻器。以下特舉一例作說明性分析。

例：有一個小燈泡上面標(biāo)有“6V，1W”字樣。現(xiàn)要描繪此燈的I-U圖線。下列器材可供選用：A.電壓表（0-5V，5KΩ）；B.電壓表（0-10V，10KΩ）；C.電流表（0-0.3A，5Ω）；D.電流表（0-0.6A，2Ω）；E.滑動變阻器（30Ω，2A）；F.學(xué)生電源（直流9V），還有開關(guān)、導(dǎo)線等。

（1）實驗中所用電壓表應(yīng)選_____，電流表應(yīng)選_____。

（2）設(shè)計實驗原理圖。

分析：基本思路，先選儀表，再選電路。

①小燈泡正常發(fā)光時，額定電流I=■A=0.167A；額定電壓U=6V；電阻R=■=36Ω。因此，電壓表選B，電流表選C。

②由于R≤RV（36Ω≤10KΩ），故采用外接伏安法。

③由于描繪燈泡I-U圖線，燈泡兩端電壓要從零調(diào)起且應(yīng)多測幾組U、I值。因此，變阻器應(yīng)接成分壓式。原理圖如圖（5）。