分壓電路中滑動變阻器選擇的深度討論

陳玉軍

(江蘇省鹽城市亭湖高級中學，江蘇 鹽城 224001)

在電學實驗電路的設計中我們常常需要選擇實驗電路和實驗器材,進行有關的實驗,探究相關的結論．實驗電路包括測量電路(如電流表內接法和外接法)和供電電路(如限流式和分壓式),按照電路設計的基本原則,要求安全性好、誤差小、儀器少、耗電少、操作方便等．對于供電電路常涉及到滑動變阻器的選擇問題,這是教學中常見的問題,也是高考中的熱點問題．下面談談如何進行供電電路中分壓電路的滑動變阻器的選擇．

分壓法和限流法供電電路雖然都可以調節負載電阻的電壓和電流的大小,但在不同條件下,調節效果不一樣．根據電路設計的基本原則,用分壓法還是限流法通常按下列幾種情況進行選擇.

(1) 負載電阻的阻值Rx遠大于滑動變阻器的總阻值R,應該選用分壓式電路;

(2) 要求負載上電壓或電流變化范圍較大,并且從零開始連續可調,選用分壓式電路;

(3) 負載電阻阻值Rx小于滑動變阻器阻值R或相差不多,并且電壓、電流變化不需要從零調起,可采用限流式接法;

(4) 兩種電路均可使用的情況下,應優先采用限流式接法;

(5) 特殊情況還要根據電壓表和電流表量程以及電阻允許通過的最大電流值等多種情況來反復推敲,選擇最佳的電路．

根據上述幾種選擇情況,于是我們有的老師在課堂上就交給學生這樣的結論:分壓式電路選滑動變阻器時總阻值應小于負載電阻的阻值,并且越小越好;限流式電路選滑動變阻器總阻值大于或等于負載電阻的阻值,或者相差不大．以上內容就是我們通常給學生的現成結論．

那么,這樣的結論在任何情況下都合理嗎?下面我們看一道實驗例題,看看分壓式電路滑動變阻器的選擇為什么要比負載電阻小、是否在任何情況下都是越小越好．

實驗1.在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實驗中備有下列器材:

(A) 小燈泡(3.8 V,1.5 W).

(B) 直流電源(電動勢4.5 V,內阻約0.4 Ω).

(C) 電流表(量程0～500 mA,內阻約0.5 Ω).

(D) 電壓表(量程0～5 V,內阻約5000 Ω).

(E) 滑動變阻器R1(0～5 Ω,額定電流2 A).

(F) 滑動變阻器R2(0～50 Ω,額定電流1 A).

(G) 開關一個,導線若干.

如果既要滿足測量要求,又要使測量誤差較小,應選擇圖1所示的4個電路中的________,應選用的滑動變阻器是________．

圖1

分析:由于是描繪小燈泡的伏安特性曲線,要求負載上電壓變化范圍較大,并且從零開始連續可調,所以應選用分壓式電路．題中提供了兩個滑動變阻器,全值電阻分別為5 Ω、50 Ω,由于負載電阻阻值約10 Ω,根據前面的選擇要求很顯然滑動變阻器應選R1．那么為什么不選R2呢?

圖2

圖3

如圖3所示,由U-Rx圖像說明小燈泡兩端的電壓隨滑動頭向右滑動的距離的增加幾乎均勻的變化．這樣就很方便于實驗操作和讀取數據．

而當滑動變阻器選用R2時,小燈泡分壓為外電路最大電壓一半時,同理可求得Rx=42 Ω,也就是滑動頭向右滑動五分之四以上小燈泡才分一半電壓．如圖4所示,由U-Rx圖像可知另一半電壓的讀取是在滑動頭位于滑動變阻器上右側不到1/5的空間上調節而得到的．

圖4

圖5

實驗1中電源如果是比較舊的電池,內阻較大,變為3 Ω,R2變為(0～20 Ω,額定電流1 A),那么滑動變阻器又應該如何選擇呢?

實驗2.在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實驗中備有下列器材:

(A) 小燈泡(3.8 V,1.5 W).

(B) 直流電源(電動勢4.5 V,內阻約3 Ω).

(C) 電流表(量程0～500 mA,內阻約0.5 Ω).

(D) 電壓表(量程0～5 V,內阻約5000 Ω).

(E) 滑動變阻器R1(0～5 Ω,額定電流2 A).

(F) 滑動變阻器R2(0～20 Ω,額定電流1 A).

(G) 開關一個,導線若干.

如果既要滿足測量要求,又要使測量誤差較小,應選擇圖6所示的4個電路中的________,應選用的滑動變阻器是________．

圖6

圖7

分析:如圖7所示,如果按照越小越好選擇,那么應該選R1,當滑動變阻器選R1,滑動頭滑到最右端時小燈泡分電壓最大,由于電源內阻較大,根據閉合電路歐姆定律,小燈泡分得最大電壓約為2.4 V,只有其額定電壓的顯然測量范圍較小,數據采集不足,作圖法處理數據時不能全面地體現小燈泡伏安特性曲線的規律．而當滑動變阻器選R2時,同理可求得小燈泡最大分壓約為3.1 V,此時小燈泡獲得的最大電壓接近其額定電壓3.8 V,測量范圍較大,比較合理．同理我們可以求得當R的全值電阻為30 Ω時,小燈泡最大分壓為3.21 V;R的全值電阻為40 Ω時,小燈泡最大分壓為3.27 V;R的全值電阻為50 Ω時,小燈泡最大分壓為3.31 V;R的全值電阻為無窮大時,小燈泡分壓達最大為3.46 V．

由此可見在這樣的電源供電的情況下,無論選用多大的滑動變阻器也不能使小燈泡獲得額定的電壓．為了使實驗達到盡可能好的效果:測量范圍較大;操作方便．本實驗我們應該選用20～30 Ω左右的滑動變阻器,即實驗2中應選R2而不是R1．所以在實驗過程中我們常?？吹接忠环N現象:盡管電源電動勢大于小燈泡的額定電壓,但在滑動變阻器的滑動頭向右滑動到右端的過程中,小燈泡兩端的電壓(電壓表讀數)增加到一定值(還沒有達到其額定值)就不再增加,使測量的范圍達不到要求,使實驗達不到預期效果．這往往就是由于電源內阻較大引起的,為達到較好的實驗效果,應更換新電池或內阻較小的電源．

從上面兩個實驗不難看出:供電電路中分壓電路的滑動變阻器的選擇不能機械地套用現成的結論,應該具體問題具體分析．如果電源是內阻很小的電源,那么滑動變阻器全值電阻越小越好,而當電源內阻較大(相對于負載電阻)時,滑動變阻器的全值電阻并不是越小越好,有時甚至還要比負載電阻大一些．因此在教學過程中,我們一定要根據實際情況,具體問題具體分析,切不可以偏概全,簡單結論．

教學中我們應該在實驗室準備好相關器材,分別進行實驗1和實驗2的操作,讓學生在實驗中去感受實驗現象、操作的煩易、數據的特點、結論的形成,使他們在實驗中體會理論和實踐的聯系,逐步形成物理學科的核心素養．