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        簡(jiǎn)易數(shù)字化限流和分壓電路演示裝置

        2019-07-08 03:45:37李展華
        物理教學(xué)探討 2019年5期

        李展華

        摘 ? 要:介紹了“限流和分壓電路演示裝置”的創(chuàng)新點(diǎn)、制作流程和主要用途,該教具與數(shù)字化手段相結(jié)合,測(cè)量精確、讀數(shù)快捷、功能豐富、實(shí)用性強(qiáng),有較高的推廣價(jià)值。

        關(guān)鍵詞:限流;分壓;數(shù)字化

        中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ?文章編號(hào):1003-6148(2019)5-0051-3

        限流和分壓電路是中學(xué)物理電學(xué)中的基本電路形式,是中考和高考的重點(diǎn)考查內(nèi)容。學(xué)生在處理限流和分壓電路的相關(guān)問(wèn)題時(shí),出錯(cuò)率很高。教師講解時(shí)往往圍繞這兩種電路中電流和電壓的變化規(guī)律,用大量的理論推導(dǎo)和計(jì)算試圖幫助學(xué)生突破這一難點(diǎn),但效果往往不如人意。究其原因,初學(xué)時(shí)學(xué)生對(duì)這兩種電路的結(jié)構(gòu)不甚清楚,尤其是分壓電路中滑動(dòng)變阻器處的串并聯(lián)情況“朦朦朧朧”,在分析電路中電流和電壓變化規(guī)律時(shí)思路較為混亂。筆者制作一個(gè)“限流和分壓電路的演示裝置”,幫助學(xué)生輕松化解了這一難點(diǎn)。

        1 ? ?教具介紹

        1.1 ? ?教具裝置圖

        圖1為教具實(shí)物圖,圖2是相應(yīng)的電路圖。

        1.2 ? ?教具創(chuàng)新點(diǎn)

        ①設(shè)計(jì)直觀簡(jiǎn)潔,線路清晰,便于觀察。

        ②操作方便,效果明顯。限流和分壓融合一起,S2斷開時(shí)為限流電路,S2閉合時(shí)為分壓電路,通過(guò)對(duì)比讓學(xué)生認(rèn)清兩種電路結(jié)構(gòu)的不同之處。

        ③電流、電壓數(shù)字化,性能穩(wěn)定??膳c數(shù)字技術(shù)、傳感器相結(jié)合,使電路中各部分電流、電壓數(shù)字化、實(shí)時(shí)化,便于發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

        ④電表拆除、安裝方便,待測(cè)元件或變阻器更換方便。

        ⑤功能豐富??筛鶕?jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?,通過(guò)組合改變電路局部結(jié)構(gòu),進(jìn)行探究。

        2 ? ?制作材料

        ①80 cm×60 cm復(fù)合木板一塊,塑料底座兩個(gè),3 cm長(zhǎng)螺絲釘(直徑4 mm)20個(gè),圖釘30枚;

        ②勝利數(shù)字萬(wàn)用表1個(gè)(型號(hào):VC890C+)、伊萊科數(shù)字萬(wàn)用表3個(gè)(型號(hào):EM33D);

        ③最大阻值分別為5 Ω、20 Ω、50 Ω的滑動(dòng)變阻器各一個(gè);

        ④規(guī)格為3.8 V、0.3 A的小燈泡兩個(gè);

        ⑤電池盒1個(gè)、干電池4節(jié),或?qū)W生電源(型號(hào):J1202);

        ⑥開關(guān)兩個(gè)、導(dǎo)線若干、剪刀一把、剝皮鉗一把;

        ⑦刻度尺1把、記號(hào)筆1支、小型電鉆1個(gè)、“一”字和“十”字螺絲刀各一把。

        3 ? ?制作過(guò)程

        3.1 ? ?教具面板的設(shè)計(jì)與制作

        第1步:按照?qǐng)D2中的電路圖對(duì)復(fù)合板進(jìn)行布圖設(shè)計(jì),確定每個(gè)元件的具體位置及螺絲孔的準(zhǔn)確位置,用電鉆打出需要的孔;

        第2步:將每個(gè)元件放在面板上相應(yīng)的位置處,再用螺絲釘將其固定牢固;

        第3步:用剪刀裁剪出各處所需合適長(zhǎng)度的導(dǎo)線,再用剝皮鉗將每段導(dǎo)線兩端的絕緣膠皮去掉;

        第4步:用處理好的導(dǎo)線按圖2要求連接電路。

        3.2 ? ?調(diào)試與美化

        第1步:閉合開關(guān),移動(dòng)滑片,檢查電路是否正常工作,性能是否穩(wěn)定;

        第2步:對(duì)導(dǎo)線布局進(jìn)一步規(guī)范處理,線條橫平豎直,拐角處90度直角干凈利索,確保美觀大方;

        第3步:選擇合適的字體、字號(hào),將該裝置的名字“限流和分壓電路演示裝置”打印出來(lái),粘貼于面板右上角;

        第4步:將兩個(gè)塑料底座用螺絲釘固定于復(fù)合板下面。裝置制作完成,如圖1所示。

        4 ? ?用途展示

        4.1 ? ?演示限流接法時(shí)電流流向及變化規(guī)律

        (1)方案1

        將圖2中的開關(guān)S2斷開,呈現(xiàn)限流電路。閉合開關(guān)S1,將滑片從最左邊緩慢移至最右邊,觀察燈泡的發(fā)光情況,記錄電流表1、電流表2和電壓表的讀數(shù)變化。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,形成結(jié)論。

        (2)方案2

        也可修正教具中的器件布局,按圖3所示電路進(jìn)行探究。閉合開關(guān)S1,將滑片從最左邊緩慢移至最右邊,觀察4個(gè)電表讀數(shù)的變化。這個(gè)演示更能說(shuō)明,限流接法時(shí)滑動(dòng)變阻器接入電路的有效電阻是滑片右側(cè)Pb部分。

        4.2 ? ?探究分壓接法時(shí)的電路結(jié)構(gòu)

        4.3 ? ?限流和分壓電路的調(diào)壓范圍對(duì)比

        將圖2中的開關(guān)S2斷開,呈現(xiàn)限流電路。閉合S1,將滑片從最左邊緩慢移至最右邊,發(fā)現(xiàn)電壓表從某一不為零的數(shù)值開始增大,變化范圍為0.56 V~3.06 V。將圖2中的開關(guān)S2閉合,呈現(xiàn)分壓電路。閉合S1,將滑片從最左邊緩慢移至最右邊,發(fā)現(xiàn)電壓表從近似零開始逐漸增大,變化范圍為0.02 V~2.74 V。顯然,分壓電路可以使待測(cè)元件兩端電壓從近似零開始,且調(diào)壓范圍較大。同時(shí)也發(fā)現(xiàn),兩種接法燈泡兩端電壓的最大值并不相同,這一點(diǎn)可啟發(fā)學(xué)生去思考原因。

        4.4 ? ?分壓接法時(shí)總阻值不同的滑動(dòng)變阻器對(duì)負(fù)載調(diào)壓效果的對(duì)比

        將圖2中的開關(guān)S2閉合,呈現(xiàn)分壓電路,分別將最大阻值為5 Ω、20 Ω、50 Ω的滑動(dòng)變阻器接入電路。閉合開關(guān)S1,將滑片從最左邊緩慢移至最右邊,觀察燈泡發(fā)光情況和電壓表示數(shù)變化,對(duì)比體會(huì)調(diào)壓效果(效果是指調(diào)壓的便捷性和精確性)。

        實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):使用總阻值50 Ω的滑動(dòng)變阻器時(shí),右移滑片過(guò)程中,開始時(shí)燈泡兩端電壓增長(zhǎng)非常緩慢,到某一值時(shí)增長(zhǎng)幅度驟然變大。想把電壓調(diào)到某一確定數(shù)值較為困難。

        限流和分壓時(shí),調(diào)節(jié)滑片使燈泡兩端電壓取相同數(shù)值,記下干路電流I1,比較兩種情況下電路消耗的總功率。也可從理論上進(jìn)行分析。

        4.5 ? ?限流電路和分壓電路的能耗對(duì)比

        限流和分壓時(shí),調(diào)節(jié)滑片使燈泡兩端電壓取相同數(shù)值,記下干路電流I1,比較兩種情況下電路消耗的總功率。也可從理論上進(jìn)行分析。

        5 ? ?功能拓展

        該演示裝置還可用于測(cè)繪某電阻(如燈泡)的伏安特性曲線、伏安法測(cè)電阻、測(cè)電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻等實(shí)驗(yàn),以及這些基本實(shí)驗(yàn)的變式拓展實(shí)驗(yàn),如探究燈泡功率P與電壓U的關(guān)系、探究非純電阻電路中電功和電熱的關(guān)系。以上電學(xué)實(shí)驗(yàn)也可與朗威DIS系統(tǒng)相融合,借助電流傳感器、電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和處理系統(tǒng),使實(shí)驗(yàn)過(guò)程、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理及結(jié)論得出更加快捷高效。

        (欄目編輯 ? ?王柏廬)

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