利用傳感器實驗探究:電路中滑動變阻器的選擇

黃瑞香

摘? ?要：在高中的電學實驗中，如何正確選取滑動變阻器，既要有理論知識又要有實踐經驗，是學生應該掌握的基本技能，也是教學中的難點。但是由于傳統上實驗所用的電流表和電壓表靈敏度不夠，實驗很難獲得多組數據，處理數據困難，且整個實驗需要花費較多的時間，所以在課堂上學生往往無法從實驗中得到很好的收獲。本文利用DISlab軟件、電壓傳感器和電流傳感器，實現讓學生通過實驗來探究限流電路和分壓電路中滑動變阻器的選擇。

關鍵詞：傳感器;滑動變阻器;實驗

根據理論知識可知，在限流電路中，為使得負載電阻能得到較大的電流調節范圍，又能使電流均勻地變化，則滑動變阻器的總電阻大小一般是負載電阻的2-5倍;在分壓電路中，滑動變阻器的總電阻要求小于負載電阻，但滑動變阻器的總電阻也不是越小越好，因為滑動變阻器的總電阻很小時，通過滑動變阻器的電流遠大于負載上的電流，電能主要消耗在滑動變阻器上，所以滑動變阻器的總電阻一般為負載電阻的0.1-0.5倍[ 1 ]。鑒于實驗室所具備的器材，本文實驗所采用的三種滑動變阻器，其總阻值別為：5Ω、20Ω和200Ω，負載電阻約為10Ω。

1? 實驗目的

（1）通過實驗探究，讓學生體會如何選擇限流電路和分壓電路中滑動變阻器;

（2）學會觀察數據的變化;

（3）了解數據處理方法以及將實驗數據進行擬合的方法，并且能理解線性擬合方程中斜率所代表的物理含義。

2? 實驗器材

數字萬用表、電腦、DISlab軟件、電壓傳感器、電流傳感器、滑動變阻器（總阻值分別為5Ω、20Ω和200Ω）、負載電阻（阻值約為10Ω）、開關和導線。（所用器材如圖1所示）

3? 實驗原理圖

4? 實驗步驟

（1）用數字萬用表測出負載電阻的阻值，并記錄，如圖4。

（2）為了使學生在實驗過程中能較均勻地移動滑動變阻器，則將三種不同的滑動變阻器分別用貼紙做九等分標簽，如圖5所示。

（3）按電路圖2，先將總阻值為5Ω的滑動變阻器連入電路，其中電壓表、電流表采用電壓傳感器和電流傳感器，并通過數據線與電腦連接。

（4）打開DISlab軟件，點擊“通用軟件”，便可看到電壓、電流的讀數界面;點擊“計算表格”，閉合開關，將滑動變阻器滑片移至標簽處，點擊軟件中的“手動記錄”，便在表格中記錄下一組數據;為了獲得多組數據，實驗中可讓學生先從左到右根據標簽移動滑動變阻器的滑片，再從右到左以標簽的中間位置作為測量點移動滑片。

（5）斷開開關，點擊“繪圖”，將電壓U設置為y軸，電流I設置為x軸，軟件將自動把所測量的數據描繪在坐標軸中，點擊“擬合-直線（一次函數）”，得到擬合直線和擬合方程，記錄下擬合方程。

（6）更換不同總電阻的滑動變阻器，重復4、5步驟。

（7）按照圖3電路連接電路，重復上述過程。

5? 實驗數據

（1）負載電阻Rx=9.6Ω。

（2）在限流電路中，連接總電阻R不同的滑動變阻器，所測得負載電阻兩端的電壓以及通過的電流值，如表1。

（3）在分壓電路中，連接總電阻R不同的滑動變阻器，所測得負載電阻兩端的電壓以及通過的電流值，如表2。

6? 數據處理

由軟件自帶的繪圖和擬合方程功能得到的結果，如圖6和圖7所示，其中圖6為限流電路的實驗結果，圖7為分壓電路的實驗結果。

7? 實驗結果分析

（1）在限流電路中，觀察表1中的數據和圖6中的圖線，可發現：采用總電阻R=5Ω的滑動變阻器，負載電阻兩端的電壓和電流變化范圍不大，坐標中繪制的點比較集中在圖象上方;采用總電阻R=200Ω的滑動變阻器。 負載電阻兩端的電壓和電流會發生突變，從I=0.26A，U=2.64V，一下變到I=0.10A，U=1.07V，之后數據變化又不明顯，所描的點大多數集中在圖象下方;采用總電阻R=20Ω的滑動變阻器，測量過程中，負載電阻兩端的電壓和電流值均可均勻地變化，且變化范圍較大，描出的點能均勻地分布在圖線上。由此可見，在本實驗中，在負載電阻為Rx=9.6Ω的情況下，采用滑動變阻器的總電阻約為負載電阻2倍的效果比其余兩種情況要好。

（2）通過軟件處理，得到的線性擬合方程中斜率所代表的物理意義為負載電阻Rx的阻值;在限流電路中，可發現滑動變阻器的總阻值越大，所得到的負載電阻的阻值越小，這是由于負載電阻的金屬熱效應所致。

（3）在分壓電路中，觀察表2中的數據和圖7中的圖線，可發現：采用總電阻R=200Ω， 負載電阻兩端的電壓和電流也會發生突變，從I=0.26A，U=2.54V，一下變到I=0.09A，U=0.87V，之后數據變化也不明顯，所描的點大多數集中在圖象下方;采用R=5Ω，R=20Ω這兩種滑動變阻器， 負載電阻兩端的電壓和電流值都能均勻的變化，且變化范圍較大，描出的點都能均勻地分布在圖線上;由線性擬合方程可得：采用R=5Ω的滑動變阻器，所測負載電阻的阻值Rx=9.6101Ω， 采用R=20Ω的滑動變阻器，所測負載電阻的阻值Rx=9.6601Ω;比較兩者數據，可知采用R=5Ω的滑動變阻器，所測得負載電阻的數值更接近負載電阻的真實值，這是由于分壓電路中滑動變阻器的分流作用以及金屬的熱效應。綜合考慮，在分壓電路中，選擇滑動變阻器的總阻值小于負載電阻阻值，效果較好。

（4）比較限流電路和分壓電路的線性擬合方程，限流電路得到負載電阻的阻值要比分壓電路的大，原因是分壓電路的分流作用，導致通過負載電阻的電流較小，以及金屬的熱效應。

（5） 比較限流電路和分壓電路所測得的數據（表1和表2），可發現限流電路中，電壓、電流值最小值不為0;而分壓電路中，負載電阻兩端的電壓和電流值最小值為0。

8? 總結

本實驗設計的目的是為了讓學生能在課堂上體會在分壓電路和限流電路中如何選擇滑動變阻器。傳感器能快速、靈敏地測出電壓和電流，克服了傳統電流表和電壓表的不足，節省了實驗的時間，實現了學生能在課堂上完成實驗的目的;通過軟件，能方便記錄實驗數據以及繪制圖象處理數據，給出線性擬合方程，這能讓學生了解如何處理數據，及時地、更加感觀地比較實驗結果，從而可進一步引導學生思考造成實驗結果差異的原因，有利于加深學生對兩種電路的理解和對實驗中如何選擇滑動變阻器有更深入的認識。該實驗也讓學生體會到現代化技術設備給物理實驗探究帶來了巨大的便利。

參考文獻：

[1]汪建月，黃振平.分壓電路和限流電路對滑動變阻器的選擇[J].生數理化，2012（5）.