廣東

滑動(dòng)變阻器作為電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的重要部分，多從滑動(dòng)變阻器的連接方式備考，容易造成“一葉障目”。文章以滑動(dòng)變阻器為例，從對(duì)單一元器件的研究備考，到整體電路中的功能發(fā)揮，建立起相對(duì)完整的知識(shí)框架，以打破知識(shí)盲區(qū)與壁壘為目的，供師生參考。

滑動(dòng)變阻器作為不可讀數(shù)的可調(diào)電阻，其本質(zhì)是基于電阻定律由電阻絲纏繞而成，具有調(diào)節(jié)方便、實(shí)用價(jià)廉等特點(diǎn)，在中學(xué)實(shí)驗(yàn)中廣泛應(yīng)用。其銘牌標(biāo)注一般有兩個(gè)：滑動(dòng)變阻器的最大阻值和所允許通過(guò)的最大電流。而其功能主要體現(xiàn)為兩方面：一是通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，改變電路中的電阻；二是保持滑動(dòng)變阻器滑片不動(dòng)，使電路中的總電阻不變。對(duì)應(yīng)不同的實(shí)驗(yàn)需求，滑動(dòng)變阻器在具體環(huán)境中的作用也不盡相同。

一、調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器改變電路中的電阻

通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來(lái)改變電路中的電阻，進(jìn)而影響電路中某部分的電流和電壓，是滑動(dòng)變阻器在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的主要功能，其主要表現(xiàn)為三個(gè)方面：

1.獲得多組電壓、電流數(shù)值

這是滑動(dòng)變阻器實(shí)現(xiàn)主要功能的主要體現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器阻值，改變電路中的總電阻，進(jìn)而使得待測(cè)電阻的電流與電壓發(fā)生改變，經(jīng)多次調(diào)節(jié)，獲得多組電壓、電流數(shù)值，從而為接下來(lái)的數(shù)據(jù)處理與分析做好鋪墊，如測(cè)量電阻絲的電阻率、描繪小燈泡的伏安特性曲線、測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)阻等高考必考實(shí)驗(yàn)均應(yīng)該方面有所考查。學(xué)生在數(shù)據(jù)收集、處理中，依據(jù)數(shù)據(jù)自主分析，提高實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性與操作性。

2.可調(diào)節(jié)性及數(shù)據(jù)問(wèn)題

滑動(dòng)變阻器依據(jù)電阻定律由電阻絲纏繞而成，操作方便，易調(diào)節(jié)，但滑動(dòng)變阻器的最大阻值不同，會(huì)影響滑動(dòng)變阻器的可調(diào)節(jié)性和數(shù)據(jù)的有效性。

【例1】在設(shè)計(jì)“描繪小燈泡伏安特性曲線”實(shí)驗(yàn)電路時(shí)，要思考以下問(wèn)題：

(1)電流表內(nèi)接還是外接？(此處略)

(2)如何選擇滑動(dòng)變阻器？

有三種規(guī)格的滑動(dòng)變阻器，他們的最大阻值分別是R1=20 Ω，R2=200 Ω，R3=1 750 Ω。將它們分別接入如圖1所示的電路。保持M、N間電壓恒定，從左到右滑動(dòng)滑片P，研究小燈泡兩端的電壓U與滑片P的滑動(dòng)距離L(滑片從左到右滑動(dòng)的最大距離為L(zhǎng)0)的關(guān)系，下圖中“×”為根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描出的點(diǎn)，請(qǐng)你結(jié)合圖2判斷該實(shí)驗(yàn)中選擇哪一種規(guī)格的滑動(dòng)變阻器最合適，并簡(jiǎn)要說(shuō)明理由。

圖1

圖2

【解析】選擇R1。理由：由U-L圖像可知，將R1接入電路時(shí)，從左向右滑動(dòng)滑片，小燈泡兩端的電壓U與滑片滑動(dòng)的距離L更接近線性關(guān)系，這樣更便于實(shí)驗(yàn)操作和采集多組數(shù)據(jù)。

【點(diǎn)評(píng)】滑動(dòng)變阻器采用分壓式接法時(shí)，由圖2可知，采用最大阻值較小的滑動(dòng)變阻器的效果較好，而如果將最大阻值較大的，如R3接入電路中，則由U-L圖像可知，滑動(dòng)變阻器只在小部分區(qū)間產(chǎn)生有效數(shù)據(jù)，如果滑動(dòng)變阻器的最大阻值R0?Rx，由表1可知，滑動(dòng)變阻器在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，極難實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)作用，只是在極窄的范圍內(nèi)出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳躍，且變化較大，不易調(diào)節(jié)，由此得到的數(shù)據(jù)其有效性讓人懷疑，因此一般情況下，最大阻值很大的滑動(dòng)變阻器一般不使用。但電學(xué)實(shí)驗(yàn)在考查過(guò)程中，由于知識(shí)點(diǎn)設(shè)置和情境問(wèn)題，造成學(xué)生認(rèn)為滑動(dòng)變阻器選擇小即對(duì)的不良印象，無(wú)法真正突出學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力與分析能力，這也是應(yīng)對(duì)滑動(dòng)變阻器努力考查的方向之一。

表1 滑動(dòng)變阻器阻值問(wèn)題

3.使電路中某部分的電壓或電流不變

如果電路中存在多個(gè)變化電阻，或是由于外部條件引起電阻變化，則會(huì)對(duì)整體電路的電阻或?qū)?shí)驗(yàn)?zāi)康漠a(chǎn)生影響，因此，在某些場(chǎng)合下，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，是為了使得電路中某部分的電壓或電流不變。如2019年全國(guó)Ⅱ卷第23題其目的是研究硅二極管在恒定電流條件下的正向電壓U與溫度t的關(guān)系(電路圖如圖3)，而由于不同溫度下二極管的電阻發(fā)生改變，則可通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器實(shí)現(xiàn)二極管處于恒定電流條件。而在某些場(chǎng)合下，則需要通過(guò)特定的實(shí)驗(yàn)步驟才能明白調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的具體目的，如2014年四川理綜卷中電學(xué)實(shí)驗(yàn)題為測(cè)定阻值約為幾十歐的未知電阻Rx，其給出的原理圖如圖4，實(shí)驗(yàn)具體步驟如下：

圖3

圖4

(1)連接好電路，將滑動(dòng)變阻器R調(diào)到最大；

(2)閉合S，從最大值開(kāi)始調(diào)節(jié)電阻箱R1，先調(diào)R1為適當(dāng)值，再調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R，使A1示數(shù)I1=0.15 A，記下此時(shí)電阻箱的阻值R1和A2的示數(shù)I2；

(3)重復(fù)步驟(2)，再測(cè)量6組R1和I2值；

(4)將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的7組數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)(如圖5)。

圖5

【解析】在上述步驟中，“調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R，使A1示數(shù)I1=0.15 A”是求解待測(cè)電阻的核心，進(jìn)而推出該方式的原理為保證并聯(lián)電路的電壓不變，并結(jié)合R1-I2圖像進(jìn)而求出待測(cè)電阻。而由于需要調(diào)節(jié)電阻箱R1，因此，此處需要通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器實(shí)現(xiàn)A1示數(shù)不變，從而獲得多組R1、I2數(shù)據(jù)。

二、保持滑動(dòng)變阻器滑片不動(dòng)，使電路中的總電阻不變

保持滑動(dòng)變阻器滑片不動(dòng)，是實(shí)驗(yàn)步驟中應(yīng)引起重視的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，其一改調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器獲取多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的常規(guī)方式。通過(guò)保持滑動(dòng)變阻器滑片不動(dòng)，是為了實(shí)現(xiàn)電路中的總電阻不變或基本不變，說(shuō)明此時(shí)滑動(dòng)變阻器不對(duì)電路總電阻產(chǎn)生影響，或者幾乎為電路的總電阻，該部分的實(shí)現(xiàn)，主要是為了引入接下來(lái)的待測(cè)電阻。常用的測(cè)量方法有等效替代法、半偏法。

等效替代法，通常讓電阻箱與待測(cè)電阻分別在同一電路中通過(guò)相同的電流，從而得出此時(shí)待測(cè)電阻阻值等于此時(shí)的電阻箱示數(shù)。如2018年全國(guó)Ⅰ卷考查的圖6實(shí)驗(yàn)電路圖，為實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)S2不論打至1或2均能實(shí)現(xiàn)電流不變，因此需要控制滑動(dòng)變阻器的阻值保持不變，實(shí)現(xiàn)外部電阻不變。

圖6

半偏法，常用于測(cè)量電壓表或電流表的內(nèi)阻，此時(shí)需滿足滑動(dòng)變阻器的調(diào)節(jié)控制著電器總電阻的變化，通過(guò)電流表半偏與滿偏，從而得出待測(cè)電阻阻值。如2014年安徽卷為測(cè)量一個(gè)量程為0～3 V的電壓表的內(nèi)阻，其實(shí)驗(yàn)步驟如下：

A.斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S，按圖7連接好電路；

B.把滑動(dòng)變阻器R的滑片P滑到b端；

C.將電阻箱R0的阻值調(diào)到零；

D.閉合開(kāi)關(guān)S；

E.移動(dòng)滑動(dòng)變阻器R的滑片P的位置，使電壓表的指針指到3 V位置；

F.保持滑動(dòng)變阻器R的滑片P位置不變，調(diào)節(jié)電阻箱R0的阻值使電壓表指針指到1.5 V位置，讀出此時(shí)電阻箱R0的阻值，此值即為電壓表內(nèi)阻RV的測(cè)量值；

G.斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S

圖7

【解析】通過(guò)閱讀實(shí)驗(yàn)步驟可知，該實(shí)驗(yàn)是通過(guò)保持滑動(dòng)變阻器的滑片不動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)并聯(lián)部分的電壓基本不變，然后調(diào)節(jié)電阻箱，依據(jù)串聯(lián)電路的特點(diǎn)，求出電壓表的內(nèi)阻。根據(jù)該實(shí)驗(yàn)原理可知，應(yīng)選用最大阻值遠(yuǎn)小于待測(cè)電阻的滑動(dòng)變阻器。當(dāng)然，由該實(shí)驗(yàn)原理可知，此處存在一定的系統(tǒng)誤差，即當(dāng)調(diào)節(jié)電阻箱時(shí)，會(huì)使得總電流發(fā)生改變，并聯(lián)部分的電壓也會(huì)隨著發(fā)生改變。

三、從單一到整體

滑動(dòng)變阻器的兩大功能為其在電路中的實(shí)際應(yīng)用打下鋪墊，而由于電學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及較多的元器件，如電源、電壓表、電流表、定值電阻、電阻箱、待測(cè)電阻等，使得滑動(dòng)變阻器在實(shí)際運(yùn)用中需針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)原理做出分析與選擇，這也使滑動(dòng)變阻器問(wèn)題常為電學(xué)實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)之一。在分析與選擇中，既要涉及滑動(dòng)變阻器的相關(guān)使用，如可調(diào)節(jié)性、所允許通過(guò)的最大電流等，也要考慮實(shí)驗(yàn)的整體實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，各元器件的安全問(wèn)題，以及如何提高數(shù)據(jù)測(cè)量的精確度等。因此，如何使滑動(dòng)變阻器在整體中進(jìn)行突破，是從單一到整體建立起知識(shí)框架的關(guān)鍵。

從單一到整體，不少同仁對(duì)此進(jìn)行了大量的研究與分析，如滑動(dòng)變阻器的選擇問(wèn)題、接法問(wèn)題、粗調(diào)與細(xì)調(diào)的實(shí)現(xiàn)等，均為滑動(dòng)變阻器知識(shí)框架的建立打下了良好的基礎(chǔ)。由于在現(xiàn)行高考考查中，接法問(wèn)題主要考查限流式接法與分壓式接法，粗調(diào)與細(xì)調(diào)并不涉及，因此對(duì)于知識(shí)框架的建立，筆者主要討論滑動(dòng)變阻器的選擇問(wèn)題。筆者在借鑒的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步形成了以下的知識(shí)框架：

(1)在有具體要求的基礎(chǔ)上

分壓式接法：描繪伏安特性曲線，校準(zhǔn)電表，要求電壓、電流從零開(kāi)始；

(2)無(wú)要求的情況下

備注：流程框圖中R0為滑動(dòng)變阻器的最大阻值

【例2】用伏安法測(cè)量某電阻Rx的阻值，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)器材如下：

A.待測(cè)電阻Rx：范圍在5～8 Ω，額定功率1 W

B.電流表A1：量程0～0.6 A(內(nèi)阻約0.2 Ω)

C.電流表A2：量程0～3 A(內(nèi)阻約0.05 Ω)

D.電壓表V1：量程0～3 V(內(nèi)阻約3 kΩ)

E.電壓表V2：量程0～15 V(內(nèi)阻約15 kΩ)

F.滑動(dòng)變阻器R：0～10 Ω，額定電流2 A

G.蓄電池：電動(dòng)勢(shì)12 V，內(nèi)阻不計(jì)

H.導(dǎo)線，開(kāi)關(guān)

為了較準(zhǔn)確的測(cè)量，并保證器材安全，電流表應(yīng)選________，電壓表應(yīng)選________(填所選設(shè)備的符號(hào))，并在圖8線框內(nèi)畫(huà)出電路圖，并標(biāo)明所選設(shè)備的符號(hào)。

圖8

圖9

【點(diǎn)評(píng)】此處滑動(dòng)變阻器的選擇涉及到其所允許通過(guò)的最大電流，以及其他元器件的相關(guān)要求，而此處電流表與電壓表的選擇基于待測(cè)電阻的額定電壓與額定電流決定，合適的量程將提高測(cè)量的精確度，因此選擇滑動(dòng)變阻器必須考慮其他元器件的相關(guān)要求，而此處基于安全原因選擇了滑動(dòng)變阻器的分壓式接法。

四、復(fù)習(xí)建議