唐建勛

(無(wú)錫市輔仁高級(jí)中學(xué) 江蘇 無(wú)錫 214123)

滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)的有效性分析

唐建勛

(無(wú)錫市輔仁高級(jí)中學(xué) 江蘇 無(wú)錫 214123)

滑動(dòng)變阻器在電路中的調(diào)節(jié)作用，在限流和分壓兩種接法中得以體現(xiàn)，所謂調(diào)節(jié)方便有效，就是指電路中的電流或電壓等參量隨滑動(dòng)變阻器的滑片線性變化，但其阻值的大小會(huì)在其中起到至關(guān)重要的影響.

滑動(dòng)變阻器 調(diào)節(jié)方便 有效性

在恒定電流電路分析與設(shè)計(jì)中，滑動(dòng)變阻器作為一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)器材是必不可少的，而且它也是高考實(shí)驗(yàn)題的一個(gè)重要考查部分，其中包括了滑動(dòng)變阻器的選擇、連接等問(wèn)題．學(xué)生最早接觸滑動(dòng)變阻器時(shí)，它是這樣被介紹的：滑動(dòng)變阻器通過(guò)改變滑片的位置來(lái)改變接入電路中的電阻絲長(zhǎng)度，從而改變阻值．因此，滑動(dòng)變阻器最初的應(yīng)用是通過(guò)改變自身的阻值，來(lái)調(diào)節(jié)電路中的電流和其他部分電路的電壓．在這種情況下，滑動(dòng)變阻器接入的是一個(gè)上腳和一個(gè)下腳，通過(guò)調(diào)節(jié)滑片的不同位置來(lái)調(diào)節(jié)接入電路中的阻值，這種接法被稱為限流法．隨著高中階段恒定電流部分學(xué)習(xí)的深入，在一些對(duì)電壓和電流調(diào)節(jié)有特殊要求的實(shí)驗(yàn)中，比如“描繪小燈泡伏安特性曲線”，滑動(dòng)變阻器的限流法就不再能適應(yīng)新的情況，于是學(xué)生需要掌握一種新的接法——分壓法．這個(gè)接法需要用到兩個(gè)下腳和一個(gè)上腳，其中兩個(gè)下腳作為控制電路直接接入到電源兩端，而取一個(gè)上腳和一個(gè)下腳作為測(cè)量電路的輸出端為待測(cè)元件提供電壓．當(dāng)引入了滑動(dòng)變阻器的兩種接法后，電路實(shí)驗(yàn)部分考查的重點(diǎn)就凸顯出來(lái)了：滑動(dòng)變阻器在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)采用哪種接法呢？與之密切相關(guān)的另一個(gè)問(wèn)題也常常會(huì)被提出：在所給的若干個(gè)滑動(dòng)變阻器中，我們應(yīng)選擇哪個(gè)呢？

對(duì)于滑動(dòng)變阻器接法的選擇，不外乎考慮以下3個(gè)因素：

(1)滑動(dòng)變阻器能否有效保護(hù)電路其他部分，并使自身安全；

(2)滑動(dòng)變阻器能否在某些有特殊要求的實(shí)驗(yàn)中使電壓或電流從零開(kāi)始連續(xù)變化；

(3)滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)是否方便．

而對(duì)于滑動(dòng)變阻器器材的選擇，也是從上述的第一點(diǎn)和第三點(diǎn)進(jìn)行考慮的．其中第一點(diǎn)可由電源電動(dòng)勢(shì)與各元件的額定電流大小來(lái)判斷，第二點(diǎn)則會(huì)在問(wèn)題直接給出明示，而第三點(diǎn)往往是最難把握的，也是在教學(xué)中最容易忽視的．

什么叫滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)是否方便？對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，學(xué)生往往是含糊不清的，其中會(huì)有這樣一些看法，比如認(rèn)為如果滑動(dòng)變阻器的阻值較小，滑動(dòng)變阻器的大小和尺寸就比較小，那么實(shí)際操作的時(shí)候滑片就比較好調(diào)節(jié)，所以，如果滑動(dòng)變阻器在能夠滿足第一和第二個(gè)要求的前提下，盡量選擇阻值較小的.那么“方便”二字真能這樣簡(jiǎn)單地理解嗎？這種說(shuō)法是有失偏頗的，在實(shí)際進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)候，的確會(huì)遇到滑動(dòng)變阻器阻值太大，滑動(dòng)變阻器較大較長(zhǎng)，調(diào)節(jié)起來(lái)不太方便的情況，但這并不是影響實(shí)驗(yàn)操作的最主要因素，“方便”的真正意義是從調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器對(duì)改變電學(xué)量的有效性角度來(lái)理解的．電學(xué)實(shí)驗(yàn)中滑動(dòng)變阻器一般有兩方面的作用，一是保護(hù)電路，二是改變電路中的電學(xué)參量，通過(guò)控制這些變量實(shí)現(xiàn)多組數(shù)據(jù)的測(cè)量，從而來(lái)研究規(guī)律．在高中階段電路實(shí)驗(yàn)的考查中，第二方面的要求尤為突出，因此“方便”更重要的意義在于：電學(xué)參量能隨滑動(dòng)變阻器滑片的移動(dòng)呈線性變化，且變化范圍較大．接下來(lái)詳細(xì)分析滑動(dòng)變阻器在兩種不同接法下的調(diào)節(jié)有效性問(wèn)題．

1 滑動(dòng)變阻器的限流接法

如圖1所示，將待測(cè)電阻R0和滑動(dòng)變阻器R串聯(lián)，當(dāng)改變滑片位置時(shí)，電流表的示數(shù)會(huì)隨之如何變化呢？

圖1 滑動(dòng)變阻器限流接法

由電流表工作原理可知，電流表指針偏轉(zhuǎn)角度與電流的大小成正比，即θ′=kI′，當(dāng)電流達(dá)到滿偏值I時(shí)，電流表指針達(dá)到最大偏角θ，同理，θ=kI，定義

其中

則

設(shè)滑動(dòng)變阻器的最大滑動(dòng)長(zhǎng)度為l0，調(diào)節(jié)滑片的長(zhǎng)度l與最大長(zhǎng)度l0的比值為q，即l=l0q，則

其中R為滑動(dòng)變阻器最大阻值，由此可以對(duì)電流表指針偏角比率p與滑動(dòng)變阻器長(zhǎng)度變化比率q之間的相關(guān)性進(jìn)行討論．

1．1R?R0

圖2 R?R0時(shí)的p-q圖像

1.2R?R0

圖3 R?R0時(shí)的p-q圖像

1.3R與R0大小接近

圖4 R與R0接近時(shí)的p-q圖像

通過(guò)對(duì)上述3種情況的討論不難發(fā)現(xiàn)，在選擇滑動(dòng)變阻器的限流接法時(shí)，當(dāng)變阻器的最大阻值遠(yuǎn)小于或者遠(yuǎn)大于待測(cè)電阻時(shí)，電流大小隨滑片位置變化的相關(guān)性較差，也就是說(shuō)在這兩種情況下滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)電路不夠方便；當(dāng)變阻器的最大阻值與待測(cè)電阻差不多時(shí)，電流大小隨滑片位置的變化相關(guān)性較高，滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)起來(lái)就比較方便，電學(xué)參量調(diào)節(jié)的有效性較高，所以在選擇器材時(shí)，應(yīng)選擇最大阻值與待測(cè)電阻差不多的滑動(dòng)變阻器．

2 滑動(dòng)變阻器的分壓接法

如圖5所示，將待測(cè)電阻R0和滑動(dòng)變阻器R采用分壓接法連接，當(dāng)改變滑片位置時(shí)，電壓表的示數(shù)會(huì)隨之如何變化呢？

圖5 滑動(dòng)變阻器的分壓接法

由電壓表工作原理可知，電壓表指針偏轉(zhuǎn)角度與電壓的大小成正比，即θ′=kU′，當(dāng)電壓達(dá)到滿偏值U時(shí)，電壓表指針達(dá)到最大偏角θ，同理，θ=kU，定義

2.1R?R0

可得

圖6 分壓接法R?R0時(shí)的p-q圖像

2.2R?R0

得

p=q

此時(shí)p-q圖像變成了斜率為1的正比例函數(shù)圖像，這樣兩者之間的線性關(guān)系是最理想的，也就是說(shuō)此時(shí)電壓表示數(shù)隨滑片滑動(dòng)而同步變化，示數(shù)變化與滑片滑動(dòng)距離之間的相關(guān)性非常好．

通過(guò)對(duì)上述兩種情況的討論不難發(fā)現(xiàn)，在選擇滑動(dòng)變阻器分壓時(shí)，當(dāng)變阻器的最大阻值遠(yuǎn)大于待測(cè)電阻時(shí)，電壓大小隨滑片位置變化的相關(guān)性較差，在這種情況下滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)電路不夠方便；當(dāng)變阻器的最大阻值遠(yuǎn)小于待測(cè)電阻時(shí)，電壓大小隨滑片位置的變化相關(guān)性最好，滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)起來(lái)比較方便，電學(xué)參量調(diào)節(jié)的有效性較高，所以在選擇器材時(shí)，應(yīng)選擇最大阻值與待測(cè)電阻差不多的滑動(dòng)變阻器．

3 結(jié)論

為了使得滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)方便，即滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)的有效性較好，在限流接法中，應(yīng)當(dāng)選擇最大阻值和待測(cè)電阻接近的滑動(dòng)變阻器；在分壓接法中，應(yīng)當(dāng)選擇最大阻值遠(yuǎn)小于待測(cè)電阻的滑動(dòng)變阻器．

唐建勛(1979- )，男，中教高級(jí)，主要從事中學(xué)物理教學(xué)及研究.

2016-10-24)