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        實(shí)驗(yàn)探究分壓電路中負(fù)載電阻的電壓變化

        2013-08-25 08:04:16徐榮廣
        物理實(shí)驗(yàn) 2013年3期
        關(guān)鍵詞:負(fù)載電阻變阻器阻值

        徐榮廣

        (鎮(zhèn)江市丹徒高級中學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江 212121)

        1 引言

        常用的可變電阻除電阻箱外還有變阻器.變阻器不提供準(zhǔn)確的阻值,但是其阻值可以連續(xù)變化,而且一般額定電流較大,因此在電路中常用于構(gòu)成控制電路.常用的變阻器有2種:電位器和滑線變阻器.兩者的結(jié)構(gòu)、規(guī)格和使用方法類似.變阻器的最大用處是控制和調(diào)節(jié)電路中的電流、電壓,常用的變阻器控制電路是制流電路和分壓電路.

        2 分壓電路的理論探究

        分壓電路在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用廣泛,如圖1所示.通過分壓電路將固定電壓變?yōu)橛?到電源電壓E之間變化的電壓,以滿足實(shí)驗(yàn)要求,這是分壓電路的重要特點(diǎn).使用分壓電路時(shí),總希望隨著變阻器阻值的均勻調(diào)節(jié),負(fù)載電阻上的電壓UL均勻變化.但有時(shí)會出現(xiàn)下列情況:隨著變阻器的調(diào)節(jié),負(fù)載電阻上電壓UL的變化小或變化太快,這2種情況都稱為分壓不均勻,會影響電路的細(xì)調(diào)程度,不利于做實(shí)驗(yàn).

        在不接入負(fù)載電阻(也稱作空載)時(shí),如圖2所示,分壓電路的分壓值(即UAC/E)僅取決于變阻器的電阻比(即RAC/RAB),分壓均勻.接入負(fù)載電阻RL后,AC 兩端電阻不僅取決于變阻器,還與負(fù)載電阻RL的大小有關(guān).分壓電路可以看做是負(fù)載電阻RL與變阻器的部分電阻RAC并聯(lián),然后再與RBC串聯(lián).因此,負(fù)載電阻上的電壓UL調(diào)節(jié)是否均勻不僅取決于變阻器的電阻比,還與負(fù)載電阻和變阻器阻值比例有關(guān)[1].

        圖1 分壓電路

        圖2 分壓電路(空載)

        為此,我們從理論上研究了帶負(fù)載電阻的分壓電路的分壓比與負(fù)載電阻和變阻器阻值比例的關(guān)系.

        根據(jù)串并聯(lián)電路的規(guī)律,可以證明

        由(1)式看出,帶負(fù)載電阻的分壓電路的分壓比Y與變阻器的電阻比K(x)以及負(fù)載電阻和變阻器全電阻值之比β 密切相關(guān).圖3為在3種不同β值情況下分壓比Y 與變阻器的電阻比K(x)的關(guān)系曲線.由圖3可見,當(dāng)β=0.2時(shí),調(diào)節(jié)很不均勻;在K(x)較小時(shí),曲線較平,即電壓UL增長緩慢,可以調(diào)節(jié)得很細(xì);但是在K(x)較大時(shí),曲線很陡,使得UL調(diào)節(jié)困難.當(dāng)β=10時(shí),圖形基本是直線,說明這種情況下的調(diào)節(jié)比較均勻.當(dāng)β=2時(shí),圖形已經(jīng)很接近于直線,因此只要RL≥2R0,調(diào)節(jié)就已經(jīng)比較均勻了[1].

        圖3 分壓電路(帶負(fù)載電阻)中不同β值時(shí)Y 與K(x)的關(guān)系曲線

        3 分壓電路的實(shí)驗(yàn)探究

        如圖1所示連接分壓電路.因?yàn)槎嗳﹄娢黄髂軌蛱峁?zhǔn)確的電阻比,所以選用全電阻值為R0=100Ω 的多圈電位器作為變阻器.由于要改變負(fù)載電阻與變阻器全電阻值比,所以用電阻箱作為負(fù)載電阻RL.用數(shù)字萬用電表的直流電壓擋來測量電源電壓E 和負(fù)載電壓UL.改變負(fù)載電阻RL,測量不同值情況下分壓比Y 與變阻器電阻比K(x)的關(guān)系圖線.取RL分別為1 000,200,20Ω(即β 分別為10,2,0.2),并依此取電阻比K(x)為0.1,0.2,…,0.9,1,測量UL,計(jì)算分壓比Y.數(shù)據(jù)記錄如表1~3所示.

        表1 當(dāng)β=10時(shí),改變K(x),測得UL及計(jì)算得Y 值

        表2 當(dāng)β=2時(shí),改變K(x),測得UL及計(jì)算得Y 值

        表3 當(dāng)β=0.2時(shí),改變K(x),測得UL及計(jì)算得Y 值

        應(yīng)用Excel繪制散點(diǎn)圖,并用趨近線擬合,圖4為在3種不同β值情況下分壓比Y 與變阻器的電阻比K(x)的關(guān)系曲線.該圖與理論分析所得結(jié)論基本相符.

        圖4 分壓電路(帶負(fù)載電阻)不同β值Y 與K(x)的關(guān)系

        4 總結(jié)與討論

        從以上實(shí)驗(yàn)可知:只要RL≥2R0,就可以比較均勻地調(diào)節(jié)電路,R0越小,分壓越均勻,但是對于一定的RL和E,R0越小,流經(jīng)變阻器的電流越大,即電源消耗的功率越大,這顯然不經(jīng)濟(jì).因此在選擇變阻器時(shí),需要權(quán)衡考慮.實(shí)驗(yàn)中,電源存在內(nèi)阻,當(dāng)變阻器阻值發(fā)生變化時(shí),電源電壓會發(fā)生改變,而本實(shí)驗(yàn)忽略了這個(gè)變化.另外接觸電阻對該實(shí)驗(yàn)也有一點(diǎn)影響.

        [1]全國中學(xué)生物理競賽常委會.全國中學(xué)生物理競賽實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[M].北京:北京大學(xué)出版社,2006:54-58.

        [2]徐立海.用圖像分析限流和分壓接法中滑動變圖器的選?。跩].物理實(shí)驗(yàn),2006,26(2):27-29.

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