李維兵

(南通高等師范學(xué)校 江蘇 南通 226100)

電學(xué)實(shí)驗(yàn)是每年高考實(shí)驗(yàn)考查的重點(diǎn)，其中供電電路中限流式和分壓式(圖1)的選擇一直困擾著學(xué)生，致使許多學(xué)生在考試時(shí)失分嚴(yán)重．因此，作為物理教學(xué)工作者，我們應(yīng)該積極鉆研，探討影響供電電路選擇的因素，找出解決途徑，幫助學(xué)生攻克這一難關(guān)．

圖1

筆者曾見過一篇題為《伏安法的電路設(shè)計(jì)》[1]的論文，論文的作者對供電電路限流式和分壓式的選擇做了總結(jié)，他僅采用了待測電阻Rx與滑動(dòng)變阻器R滑的比較來選擇電路，方法如下：

(1)當(dāng)R滑?Rx時(shí)(通常情況下，R滑>10Rx)用限流式．

用分壓式．

筆者在電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)[1]作者對供電電路所總結(jié)的三點(diǎn)，在具體解題過程中并不都適用，僅采用待測電阻Rx與滑動(dòng)變阻器R滑的大小比較來選擇電路具有一定的片面性．下面對此進(jìn)行探討．

(1)舉例說明

【例題】用伏安法測某金屬的電阻(約40 Ω).已知電源電動(dòng)勢為6 V，內(nèi)電阻約為0.05 Ω；電流表量程為50 mA，內(nèi)電阻為10 Ω；電壓表量程為3 V，內(nèi)電阻為6 kΩ；滑動(dòng)變阻器阻值為0～200 Ω．請?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案并畫出電路圖．

解析：按文獻(xiàn)[1]作者思路解，因?yàn)?/p>

假設(shè)限流式：估算最小電流

其待測電阻最小電壓

Umin=IminRx=1 V

電流和電壓均沒有超過量程，應(yīng)該接限流式．

假設(shè)分壓式：利用歐姆定律可以估算出滑動(dòng)變阻器的滑片移到不同的位置時(shí)，電流表、電壓表所對應(yīng)的值分別為

(1)

U=IR滑

(2)

數(shù)據(jù)分析計(jì)算如表1.

表1

從上面兩種方式分析可以看出：選用限流式時(shí)，電流表的范圍大約在24 ～50 mA之間,電壓表大約在1～2 V之間；而選用分壓式時(shí)，由表格中的估算可以看出，電流表范圍在0～50 mA,電壓表范圍在0～2 V之間．不難發(fā)現(xiàn)，采用分壓式時(shí)，電表讀數(shù)誤差更小，故分壓式更合理．因此在限流式和分壓式電路的選擇上，并不是僅僅采用待測電阻Rx與滑動(dòng)變阻器R滑進(jìn)行簡單比較就能下定論的．

實(shí)際上，在伏安法測電阻的實(shí)驗(yàn)中，除了滑動(dòng)變阻器會對供電電路的選擇有影響外，不同的電源、不同量程的電壓表、電流表也會對供電電路的選擇有影響．

(2)不同的電源對供電電路選擇的影響

如上面的例題，設(shè)其他條件均不改變，將電源電動(dòng)勢改為3 V，請?jiān)O(shè)計(jì)電路．

假設(shè)限流式: 估算最小電流

其待測電阻最小電壓

Umin=IminRx=0.48 V

電流和電壓均沒有超過量程，而且當(dāng)電流表滿偏電流

Imax=50 mA

其待測電阻的最大電壓

Umax=ImaxRx=2.4 V

假設(shè)分壓式：利用上面(1)、(2)兩式可以估算待測電阻的電流和電壓．

數(shù)據(jù)分析計(jì)算如表2.

表2

從上面兩種方式分析可以看出：選用限流式時(shí)，電流表范圍在12 ～50 mA之間，電壓表的范圍在0.48～2.4 V之間；而選用分壓式時(shí)，電流表范圍大約在0～50 mA，電壓表的范圍大約在0～2 V，且滑動(dòng)變阻器從零滑到140 Ω時(shí)，電壓僅在1 V以內(nèi)變化，故此時(shí)選限流式更好．

再如，設(shè)其他條件均不改變，將電源電動(dòng)勢改為12 V，采用限流式，估算最小電流

接近滿偏，可知只能采用分壓式．可見，選擇不同的電源會影響供電電路的選擇．

(3)不同量程的電表對供電電路選擇的影響

如上述例題，設(shè)其他條件均不改變，將電流表量程改為100 mA，電壓表量程改為6 V，請?jiān)O(shè)計(jì)電路．

假設(shè)限流式:估算最小電流

其待測電阻最小電壓

Umin=IminRx=1 V

當(dāng)電流表滿偏電流

Imax=100 mA

其待測電阻的最大電壓

Umax=ImaxRx=4 V

其滑動(dòng)變阻器此時(shí)電阻

R滑=0 Ω

假設(shè)分壓式：電流和電壓的變化如表1所示，從表1中可以看出，滑動(dòng)變阻器的電阻R滑從0～180 Ω間，電壓的范圍基本集中在0～3 V之間，大約為滿偏的一半．

相比之下，此時(shí)選限流式更為合理．可見不同量程的電表會影響供電電路的選擇．

由此可見，在電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電路的過程中，供電電路的選擇受到滑動(dòng)變阻器、電源、電壓表、電流表等諸多因素的影響．因此，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)靈活多變、難度大．雖然我們無法下定論來簡單的判斷，但可以通過估測判斷的方法，來解決這一難題．該過程分三步走，第一步根據(jù)待測電阻的大小估測電流表、電壓表的范圍來選合適的電表；第二步假設(shè)限流式，估算出電壓、電流的范圍，再假設(shè)分壓式，設(shè)滑動(dòng)變阻器滑到一些位置(如表1所示)，估算出電壓、電流的范圍；第三步對上述估算進(jìn)行比較，哪一種估算出來的電表的范圍與所選用的電表的量程更符合，就應(yīng)該選哪一種連接方式．

總之，供電電路的選擇是靈活多變的，僅通過Rx與R滑的比較來選擇供電電路是不行的．我們只有估算判斷比較后，才能選出最合理的方式．

參考文獻(xiàn)

1 趙金平,伏安法的電路設(shè)計(jì).中學(xué)物理教與學(xué).2009(1)：18