龔愛(ài)華

數(shù)顯限流和分壓電路實(shí)驗(yàn)儀

龔愛(ài)華

（重慶市大足中學(xué)，重慶 402360）

針對(duì)中學(xué)物理教學(xué)中限流和分壓電路各部分電流和電壓變化規(guī)律這一教學(xué)難點(diǎn)，嘗試?yán)秒娏?、電壓?shù)字顯示器，可拆換式滑動(dòng)變阻器，小燈泡，可換元件等來(lái)制作數(shù)顯限流和分壓電路實(shí)驗(yàn)儀，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作、觀察過(guò)程中對(duì)這兩種電路的電流和電壓變化規(guī)律有深刻的認(rèn)識(shí)，使教學(xué)過(guò)程更加直觀，輕松化解教學(xué)難點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣．

限流電路；分壓電路；實(shí)驗(yàn)儀．

限流和分壓電路是中學(xué)物理電路板塊教學(xué)中的基本電路形式，也是中考和高考的重點(diǎn)考查內(nèi)容．在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在解決限流和分壓電路有關(guān)問(wèn)題時(shí)，出錯(cuò)率高．在教學(xué)過(guò)程中，教師圍繞這兩種電路中各部分電流和電壓變化規(guī)律費(fèi)盡心思，用大量的推理和計(jì)算幫助學(xué)生解決這個(gè)問(wèn)題，可學(xué)生對(duì)這一難點(diǎn)，總是不易弄清楚，有的學(xué)生死記結(jié)論，生搬硬套，在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)這樣那樣的錯(cuò)誤，導(dǎo)致學(xué)生覺(jué)得物理難學(xué)，學(xué)不懂．長(zhǎng)此以住，學(xué)生就對(duì)物理這一非常有趣的自然學(xué)科失去學(xué)習(xí)興趣．分析出錯(cuò)原因，是學(xué)生對(duì)這兩種電路中的電壓和電流變化規(guī)律掌握不牢．能不能制作一個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器，讓學(xué)生觀察這兩種電路中的電流和電壓變化規(guī)律呢？筆者通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，最終用電流、電壓數(shù)字顯示器，可拆換式滑動(dòng)變阻器，小燈泡，可換元件等來(lái)制作“數(shù)顯限流和分壓電路實(shí)驗(yàn)儀”，輕松化解這一教學(xué)難點(diǎn)．實(shí)驗(yàn)儀通過(guò)測(cè)量滑動(dòng)變阻器兩下接線柱電流、電源電壓、滑片電壓，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，看清兩種電路中電流和電壓變化規(guī)律，并且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還有出乎意料的現(xiàn)象，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在學(xué)生腦海中留下深刻印象，起到了很好的教學(xué)效果，設(shè)計(jì)原理如圖1所示．

圖1

1 儀器特點(diǎn)及作用

（1）特點(diǎn)．

① 通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)和閉合得到限流或分壓電路，讓學(xué)生認(rèn)清兩種電路的不同之處．

② 兩個(gè)電流電壓顯示器的數(shù)值，讓學(xué)生觀察分壓和限流電路的電流和電壓變化規(guī)律，化解教學(xué)難點(diǎn)．

③ 實(shí)驗(yàn)儀電路規(guī)范，整潔，便于學(xué)生看清是何種電路．

④ 可拆換式滑動(dòng)變阻器和可換元件組合使用，讓學(xué)生輕易理解何時(shí)選擇限流電路，何時(shí)選擇分壓電路．

⑤ 儀器操作簡(jiǎn)單，效果好，功能多．

（2）作用．

① 幫助學(xué)生掌握限流和分壓電路中的電流和電壓變化規(guī)律．

② 用于中學(xué)物理測(cè)小燈泡的電阻、伏安特性曲線、測(cè)電源內(nèi)阻等教學(xué)．

③ 對(duì)學(xué)生進(jìn)行節(jié)能教育和安全教育．

④ 激發(fā)學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣和探究精神．

2 所需材料

不同粗細(xì)的電阻絲各1圈，電流、電壓數(shù)字顯示器2個(gè)，實(shí)驗(yàn)室用單刀開(kāi)關(guān)2個(gè)，1Ω、1000Ω、20Ω，50Ω電阻各1個(gè)，亞克力板1塊，木板、包邊條，導(dǎo)線、接線柱、螺絲適量，手按開(kāi)關(guān)1個(gè)，銅皮、鋁皮、邊長(zhǎng)為5mm的方形鐵桿等．

3 制作和組裝

3．1 滑片組件的制作

（1）取1段長(zhǎng)19．5cm的方形鐵桿，兩端分別用小車床制作1段長(zhǎng)為1．3cm，直徑為0．4mm的圓桿，并用絲繞出1段長(zhǎng)為1cm，直徑為4mm的絲桿如圖2所示．

（2）用鋁皮制作2個(gè)邊長(zhǎng)為1．5cm的直角，并在兩直角面上用電鉆鉆一個(gè)直徑為4mm的孔，如圖3所示．

圖3

（3）用銅皮分別制作如圖4，圖5、圖6所示的元件，按圖4、圖5、圖6從上到下組裝到一個(gè)廢棄的滑動(dòng)變阻器的滑片蓋上，制作成滑片組件．

圖4

圖5

圖6

（4）將金屬桿穿過(guò)組裝好的滑片組件孔②，直角組裝到金屬桿的兩端，并用螺絲固定，組成如圖7所示的滑片組件．

圖7

3．2 電阻板制作

（1）用亞克力板制作兩塊如圖8所示的電阻板骨架，尺寸及規(guī)格如圖8上標(biāo)示（左右對(duì)稱），所有孔的直徑都一樣．

圖8

（2）用電阻絲在骨架上緊繞兩個(gè)電阻分別為20Ω和50Ω的電阻板．

（3）將電阻絲兩端分別用螺絲和鏈接銅片固定，制作好后如圖9所示．

圖9

3．3 可換元件制作

（1）用1塊15×100mm的銅皮卷成一個(gè)有彈性的圓柱，當(dāng)不用小燈泡時(shí)插入燈座中，接通電路．

（2）用1塊10×70mm的銅皮制作一根短路線，當(dāng)不用可換元件時(shí)接通電路．

（3）用1Ω5W、1000Ω5W的電阻制作兩個(gè)電阻可換元件，探究電路電阻過(guò)大和過(guò)小時(shí)，移動(dòng)滑片時(shí)電流和電壓變化的情況．

（4）用20Ω5W的電阻制作一個(gè)電阻可換元件，用于探究不用小燈泡時(shí)的限流和分壓電路．3．4 面板制作及組裝

（1）取1塊長(zhǎng)寬分別為35×26．5cm的裝修后剩下的木板．

（2）將可拆換式滑動(dòng)變阻器（由滑片組件、電阻板組成）、電流電壓數(shù)字顯示器、燈座、可換元件座、顯示器開(kāi)關(guān)、接線柱、開(kāi)關(guān)等元件固定到木板的適當(dāng)位置，并用銅導(dǎo)線連接起來(lái)．

（3）用木板、裝修用包邊條將面板裝飾一下，在相應(yīng)的元件位置貼上相關(guān)標(biāo)識(shí)，最后制作完成如圖10所示．

圖10

圖11

4 實(shí)驗(yàn)儀的功能展示

4．1 限流作用

如圖11所示，用銅導(dǎo)線代替可換元件，接通電源，將限流、分壓電路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，組成限流電路．滑片滑到最右邊，閉合開(kāi)關(guān)，將滑片從右邊向左邊慢慢移動(dòng)，觀察小燈泡的發(fā)光情況，并在表1中記下相應(yīng)數(shù)據(jù)，更換電阻板，在表2中記下相應(yīng)數(shù)據(jù)．

表1 （電源電壓為9V，R滑＝20Ω，可換元件為銅導(dǎo)線）

數(shù) 項(xiàng)目據(jù)項(xiàng)目滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻（約）_ R滑3 R滑／4 R滑／2 _ R滑／4 0 _ _ _ _ _ _ _ U源／V _ _ _ _ _ _ _ 9 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 9 _ _ 9 _ _ 8．9 _ _ 8．9 _ _ _ _ _ _ U滑／V _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1．7 _ _ _ _ 2．5 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 3．5 _ _ 5．7 _ _ 8．8 _ _ 1 4 8 1 6 2 2 0 2 2 5 7 3 3 1 I右／m A 0 0 0 0 0 I燈／m A 1 4 8 1 6 2 2 0 2 2 5 7 3 3 1 P總／W 1．3 3 2 1．4 5 8 1．8 1 8 2．2 8 7 3 2．9 4 5 9 I左／m A

從表1、表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生可以清楚地看出：

（1）限流電路中，無(wú)論滑片處在什么位置，滑片兩端（小燈泡）電流和電壓都大于0．

（2）當(dāng)滑片從右向左移動(dòng)過(guò)程中，滑片兩端電壓，流過(guò)滑片、小燈泡的電流逐漸增大．

（3）無(wú)論滑片在什么位置，I右電流始終為0，說(shuō)明流過(guò)滑動(dòng)變阻器的電流路徑為：電源、左電流電壓數(shù)字顯示器、左接線柱、滑動(dòng)變阻器、滑片組件、小燈泡、負(fù)極，而滑片、右接線柱、右電流電壓數(shù)字顯示器間沒(méi)有電流．

圖12

（4）電源消耗的總功率隨著滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻減小而增大．

4．2 分壓作用如圖12所示，用銅導(dǎo)線代替可換元件，將分壓限流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)閉合，組成分壓電路．接通電源，滑片滑到最右邊，閉合開(kāi)關(guān)，將滑片從右邊向左邊慢慢移動(dòng)，觀察小燈泡的發(fā)光情況，并在表3中記下相應(yīng)數(shù)據(jù)，更換電阻板，在表4中記下相應(yīng)數(shù)據(jù)．

表3 （電源電壓為9V，R滑＝20Ω，可換元件為銅導(dǎo)線）

數(shù) 項(xiàng)目據(jù)項(xiàng)目_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻（約）R滑_______3 R滑／4 R滑／2 R滑／4 0 _ _ _ _ _ _ U源／V 9 9 9 8．9 8．8 _ _ _ _ U滑／V 0 1．1 2．4 4．8 8．7 _ I左／m A 1 7 5 2 1 2 2 6 3 3 5 7 4 9 5 I右／m A 1 7 5 7 5 8 8 1 1 7 1 6 8 I燈／m A 0 1 3 7 1 7 5 2 4 0 3 2 7 P總／W 1．5 7 5 1．9 0 8 2．3 6 7 3．1 7 7 3 4．3 5 6

從表3、表4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生可以清楚地看出：

（1）分壓電路中，當(dāng)滑片在最右邊時(shí)，滑片兩端（小燈泡）電流和電壓都為0．

（2）當(dāng)滑片從右向左移動(dòng)過(guò)程中，滑片處電壓逐漸增大，而滑動(dòng)變阻器I右的電流是先減小，然后增大．

這一現(xiàn)象出乎學(xué)生的意料，引起高中學(xué)生強(qiáng)烈的好奇心，激發(fā)學(xué)生的求知欲望（平?；瑥挠蚁蜃笠苿?dòng)過(guò)程中，要么電流變大，要么電流減小）．教學(xué)中演示了這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后，教師因勢(shì)利導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)分壓電路進(jìn)行分析和計(jì)算，得出了與實(shí)驗(yàn)完全一致的結(jié)論．學(xué)生也對(duì)分壓電路有了更深刻的認(rèn)識(shí)和理解．

（3）當(dāng)滑片從右向左移動(dòng)過(guò)程中，滑片兩端電壓、流過(guò)滑片、小燈泡的電流（I＝I左－I右）逐漸增大，并且不是線性變化．

（4）電源消耗的總功率隨著滑片向左移動(dòng)，逐漸增大．

4．3 限流和分壓電路的選擇

通過(guò)以上探究實(shí)驗(yàn)，用可換元件探究特殊情況，學(xué)生可以比較容易得出以下結(jié)論．

（1）相同情況下，分壓電路消耗的功率要大于限流電路，所以當(dāng)兩種電路都滿足實(shí)驗(yàn)要求時(shí)，從節(jié)能的角度出發(fā)，應(yīng)選擇限流電路，同時(shí)也對(duì)學(xué)生進(jìn)行節(jié)能減排教育．

（2）如果控制電路的電壓和電流要求從0開(kāi)始變化，這時(shí)只能選擇分壓電路，如測(cè)量小燈泡的伏安特性曲線，收音機(jī)音量控制等電路就只能采用分壓電路．

（3）無(wú)論分壓或限流電路，在滿足實(shí)驗(yàn)要求的前提下，盡量選擇阻值較大的滑動(dòng)變阻器，以減小電源消耗的功率，達(dá)到節(jié)能減排的目的，也是實(shí)際電路設(shè)計(jì)中必須注意的一個(gè)問(wèn)題．

5 功能擴(kuò)展

用一個(gè)6V的直流電動(dòng)機(jī)作可換元件，還可以探究電流通過(guò)電動(dòng)機(jī)做功，計(jì)算公式只能用W＝UIt，而W＝I2Rt等變形公式只計(jì)算了電動(dòng)機(jī)發(fā)熱消耗的電能．

在教學(xué)過(guò)程中演示好物理實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生深刻地理解所要研究的物理知識(shí)的本質(zhì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的濃厚興趣，轉(zhuǎn)變以往被動(dòng)的知識(shí)灌輸模式，讓學(xué)生走向積極、主動(dòng)的自主性學(xué)習(xí)，從而實(shí)現(xiàn)真正的高效課堂．特別是當(dāng)學(xué)生看到自己的教師帶著自制的實(shí)驗(yàn)器材，準(zhǔn)確、高效、演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，快速得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，就會(huì)從內(nèi)心深處產(chǎn)生對(duì)教師崇敬和喜歡，從而也喜歡上教師所教的學(xué)科—物理．

1 王小慶，代黎娜．真正優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)高效物理課堂［J］．中學(xué)物理教學(xué)參考，2015（12）：58－59．

2 何文明．談分壓電路和限流電路對(duì)滑動(dòng)變阻器的選擇［J］．物理教師，2002（1）：20－21．

2016－08－15）