唐冬英

(石獅市第一中學(xué) 福建 泉州 362700)

滑動變阻器兩種連接方式的選擇原則*

唐冬英

(石獅市第一中學(xué) 福建 泉州 362700)

滑動變阻器是中學(xué)電學(xué)實驗的重要儀器.滑動變阻器接入的方式有限流式和分壓式兩種.不管采用哪種連接方式，其目的都是為了通過調(diào)節(jié)滑動變阻器，使待測電流和待測電壓能平穩(wěn)地變化，便于采集實驗數(shù)據(jù)，從而減小實驗的誤差.當(dāng)測量對象已經(jīng)確定時，怎么確定滑動變阻器是接成限流式還是分壓式呢？要解決好此類問題，就要知道限流式和分壓式兩種接法對滑動變阻器的阻值特點要求，知道滑動變阻器兩種連接方式的選擇原則.

1 限流式電路中滑動變阻器的阻值特點及選擇原則

1.1 當(dāng)滑動變阻器RaP的阻值平穩(wěn)變化時，電路電流能平穩(wěn)變化的條件

如圖1所示，設(shè)電源電動勢為E，內(nèi)阻不計，滑動變阻器的最大電阻為R0，負載電阻為R，滑動變阻器接入電路的電阻值為RaP.

圖1 限流式電路圖

根據(jù)閉合電路歐姆定律，通過電阻R的電流

電流IR與電阻RaP不是線性關(guān)系，IR隨RaP的增大而減小.那么，R0與R的大小有何關(guān)系時，電流IR隨

RaP的變化能近似平穩(wěn)地變化呢？

表1 R0

由表1可得到如圖2所示的IR隨RaP的變化圖線.從圖2的曲線可以看出來，當(dāng)R0

圖2 R0

表2 R0>R時的實驗數(shù)據(jù)

由表2可得到如圖3所示的IR隨RaP的變化圖線.由圖3曲線可知，隨著RaP均勻地變化，當(dāng)RaP>3R時，IR能近似平穩(wěn)地變化.這是因為當(dāng)RaP>3R時，IR主要取決于RaP，調(diào)節(jié)RaP的大小可使IR平穩(wěn)的變化，可見當(dāng)R0>R時，電路宜采用限流式接法.但是，實際選擇滑動變阻器時，并不是R0越大越好，R0很大，其單位長度的阻值越大，觸頭P處的a點稍作移動，整個電路總電阻變化很大，通過電路的電流變化就很大.

由圖3曲線可知，要平穩(wěn)地調(diào)節(jié)電流的變化，滑動變阻器的阻值R0一般為待測電阻R的3～10倍.

圖3 R0>R時變化曲線

1.2 負載輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍

當(dāng)RaP=R0時，滑動端處于b，有

當(dāng)RaP=0時，滑動端處于a端，有

UR=Um=E

通過以上分析可以得出這樣的結(jié)論：限流式接法中，要使滑動變阻器起到對IR的控制作用，使IR近似平穩(wěn)地變化，必須滿足R0>R(或者相差不多)的條件，當(dāng)RaP為待測電阻R的3～10倍時，調(diào)節(jié)效果最好.

2 分壓式電路中滑動變阻器的阻值特點及選擇原則

2.1 當(dāng)滑動變阻器RaP的阻值平穩(wěn)變化時，輸出電壓能平穩(wěn)變化的條件

如圖4所示，設(shè)電源電動勢為E，內(nèi)阻不計，滑動變阻器的最大電阻為R0，負載電阻為R，負載輸出端部分的滑動變阻器的阻值為RaP.

圖4 分壓式電路圖

將滑片P自a端向b端移動，根據(jù)歐姆定律可得輸出電壓為

可見UR與RaP不成線性關(guān)系，輸出電壓不是線性變化的.那么，當(dāng)RaP與負載R大小關(guān)系怎樣時，輸出電壓UR是接近線性變化的呢？

設(shè)R0=55 Ω，R分別取5 Ω，10 Ω，50 Ω，500 Ω，1 000 Ω，∞(即不接入負載時)時，調(diào)節(jié)滑片P，使RaP分別為R0的0.1，0.2，0.3，0.4，…，1倍，得到對應(yīng)的輸出電壓UR的大小如表3所示.

表3 分壓接法R0=50 Ω時的實驗數(shù)據(jù)

圖5 分壓接法變化曲線

這是因為當(dāng)R?R0時，R與RaP的并聯(lián)值R并≈RaP，而整個電路的總阻約為R0，那么R兩端電壓

顯然UR∝RaP，且RaP越小，這種線性關(guān)系越好，電表的變化越平穩(wěn)均勻，越便于觀察和操作.

通過以上分析可以得出這樣的結(jié)論：分壓式接法中，要使滑動變阻器起到對UR的控制作用，必須滿足R0

2.2 負載輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍

由圖4可知：

當(dāng)RaP=0時，滑動端處于a端，UR=0.

當(dāng)RaP=R0時，滑動端處于b端，UR=E.

即UR的變化范圍為0～E.顯然，滑動變阻器被當(dāng)作分壓器使用時，調(diào)節(jié)負載上電壓的范圍比限流時調(diào)節(jié)范圍大.

總之，滑動變阻器在電路中的接法是用限流式還是分壓式，應(yīng)根據(jù)負載電阻的大小和滑動變阻器阻值的大小關(guān)系及電壓的調(diào)節(jié)范圍等要求綜合考慮而定.

3 滑動變阻器的限流式和分壓式的應(yīng)用

【例題】一個小燈泡上標(biāo)有“6 V，0.2 A”字樣，現(xiàn)要描繪該燈泡的伏安特性曲線，有下列器材供選用：

A．電壓表(0～5 V，內(nèi)阻1.5 kΩ)

B．電壓表(0～10 V，內(nèi)阻3.0 kΩ)

C．電流表(0～0.3 A，內(nèi)阻2.0 Ω)

D．電流表(0～0.6 A，內(nèi)阻1.0 Ω)

E．滑動變阻器(10 Ω，2 A)

F．滑動變阻器(100 Ω，0.5 A)

G．學(xué)生電源(直流9 V)，還有開關(guān)、導(dǎo)線等.

(1)實驗中所用的電壓表應(yīng)選______，電流表應(yīng)選______，滑動變阻器應(yīng)選______.

(2)下面方框(圖6)中畫出實驗電路圖，要求電壓從零開始測量.

(3)將實物(圖7)按你所畫的電路連接起來.

圖6 (2)問題圖

圖7 (3)問題圖

分析:電壓表的選擇，器材的選擇需安全和精確，需根據(jù)燈泡的額定電壓和額定電流選擇電流表和電壓表的量程.因小燈泡上標(biāo)有“6 V，0.2 A”字樣，小燈泡的額定電壓為6 V，從安全和精確度方面考慮，若用3 V量程電壓表，電壓不能超過3 V，所以電壓表量程選10 V的，故電壓表應(yīng)選B，選A則量程太小.

電流表的選擇，小燈泡的額定電流為0.2 A，為減小讀數(shù)誤差，電流表量程選0.3 A的，所以電流表應(yīng)選C，選D量程太大.

滑動變阻器接法的選擇，因要求電壓從零開始連續(xù)調(diào)節(jié)，因為限流式接法電壓最小值達不到零，所以滑動變阻器應(yīng)用分壓式接法.

滑動變阻器大小的選擇，因為分壓式接法中，只有在滑動變阻器的電阻小于待測電阻時，滑動變阻器才能起到控制作用，使待測電阻兩端的電壓平穩(wěn)的變化，方便觀測數(shù)據(jù).小燈泡正常工作時的電阻是30 Ω，滑動變阻器E的電阻比小燈泡的電阻小，所以滑動變阻器選應(yīng)選阻值小的變阻器E，若選滑動變阻器F，因其阻值比燈泡阻值大，不能使燈泡兩端電壓平穩(wěn)變化.

電路圖和實物連線如圖8,9所示.

圖8 (2)問答案

圖9 (3)問答案

點評：(1)解決本題的關(guān)鍵是掌握器材選取的原則，明確電表和滑動變阻器的選擇依據(jù)；(2)明確電流表內(nèi)、外接法的選擇原則，知道滑動變阻器分壓式和限流式接法的區(qū)別；(3)用曲線連接實物圖，注意電表的極性以及滑動變阻器分壓式連接.

總之，如若切實掌握了限流式和分壓式兩種接法對滑動變阻器的阻值特點要求，知道滑動變阻器兩種連接方式的選擇原則，有關(guān)滑動變阻器的連接方式問題就可迎刃而解了.

*福建省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2015年度常規(guī)課題“高中物理教材二次開發(fā)案例研究”，項目編號：FJJK15-454

2016-10-30)