滑动变阻器两种连接方式的选择原则*

2017-04-01唐冬英

物理通报 2017年4期

关键词：压式流式变阻器

唐冬英

(石狮市第一中学福建泉州 362700)

滑动变阻器两种连接方式的选择原则*

唐冬英

(石狮市第一中学福建泉州 362700)

滑动变阻器是中学电学实验的重要仪器.滑动变阻器接入的方式有限流式和分压式两种.不管采用哪种连接方式，其目的都是为了通过调节滑动变阻器，使待测电流和待测电压能平稳地变化，便于采集实验数据，从而减小实验的误差.当测量对象已经确定时，怎么确定滑动变阻器是接成限流式还是分压式呢？要解决好此类问题，就要知道限流式和分压式两种接法对滑动变阻器的阻值特点要求，知道滑动变阻器两种连接方式的选择原则.

1 限流式电路中滑动变阻器的阻值特点及选择原则

1.1 当滑动变阻器RaP的阻值平稳变化时，电路电流能平稳变化的条件

如图1所示，设电源电动势为E，内阻不计，滑动变阻器的最大电阻为R0，负载电阻为R，滑动变阻器接入电路的电阻值为RaP.

图1 限流式电路图

根据闭合电路欧姆定律，通过电阻R的电流

电流IR与电阻RaP不是线性关系，IR随RaP的增大而减小.那么，R0与R的大小有何关系时，电流IR随

RaP的变化能近似平稳地变化呢？

表1 R0

由表1可得到如图2所示的IR随RaP的变化图线.从图2的曲线可以看出来，当R0

图2 R0

表2 R0>R时的实验数据

由表2可得到如图3所示的IR随RaP的变化图线.由图3曲线可知，随着RaP均匀地变化，当RaP>3R时，IR能近似平稳地变化.这是因为当RaP>3R时，IR主要取决于RaP，调节RaP的大小可使IR平稳的变化，可见当R0>R时，电路宜采用限流式接法.但是，实际选择滑动变阻器时，并不是R0越大越好，R0很大，其单位长度的阻值越大，触头P处的a点稍作移动，整个电路总电阻变化很大，通过电路的电流变化就很大.

由图3曲线可知，要平稳地调节电流的变化，滑动变阻器的阻值R0一般为待测电阻R的3～10倍.

图3 R0>R时变化曲线

1.2 负载输出电压的调节范围

当RaP=R0时，滑动端处于b，有

当RaP=0时，滑动端处于a端，有

UR=Um=E

通过以上分析可以得出这样的结论：限流式接法中，要使滑动变阻器起到对IR的控制作用，使IR近似平稳地变化，必须满足R0>R(或者相差不多)的条件，当RaP为待测电阻R的3～10倍时，调节效果最好.

2 分压式电路中滑动变阻器的阻值特点及选择原则

2.1 当滑动变阻器RaP的阻值平稳变化时，输出电压能平稳变化的条件

如图4所示，设电源电动势为E，内阻不计，滑动变阻器的最大电阻为R0，负载电阻为R，负载输出端部分的滑动变阻器的阻值为RaP.

图4 分压式电路图

将滑片P自a端向b端移动，根据欧姆定律可得输出电压为

可见UR与RaP不成线性关系，输出电压不是线性变化的.那么，当RaP与负载R大小关系怎样时，输出电压UR是接近线性变化的呢？

设R0=55 Ω，R分别取5 Ω，10 Ω，50 Ω，500 Ω，1 000 Ω，∞(即不接入负载时)时，调节滑片P，使RaP分别为R0的0.1，0.2，0.3，0.4，…，1倍，得到对应的输出电压UR的大小如表3所示.

表3 分压接法R0=50 Ω时的实验数据

图5 分压接法变化曲线

这是因为当R≫R0时，R与RaP的并联值R并≈RaP，而整个电路的总阻约为R0，那么R两端电压

显然UR∝RaP，且RaP越小，这种线性关系越好，电表的变化越平稳均匀，越便于观察和操作.

通过以上分析可以得出这样的结论：分压式接法中，要使滑动变阻器起到对UR的控制作用，必须满足R0

2.2 负载输出电压的调节范围

由图4可知：

当RaP=0时，滑动端处于a端，UR=0.

当RaP=R0时，滑动端处于b端，UR=E.

即UR的变化范围为0～E.显然，滑动变阻器被当作分压器使用时，调节负载上电压的范围比限流时调节范围大.

总之，滑动变阻器在电路中的接法是用限流式还是分压式，应根据负载电阻的大小和滑动变阻器阻值的大小关系及电压的调节范围等要求综合考虑而定.

3 滑动变阻器的限流式和分压式的应用

【例题】一个小灯泡上标有“6 V，0.2 A”字样，现要描绘该灯泡的伏安特性曲线，有下列器材供选用：

A．电压表(0～5 V，内阻1.5 kΩ)

B．电压表(0～10 V，内阻3.0 kΩ)

C．电流表(0～0.3 A，内阻2.0 Ω)

D．电流表(0～0.6 A，内阻1.0 Ω)

E．滑动变阻器(10 Ω，2 A)

F．滑动变阻器(100 Ω，0.5 A)

G．学生电源(直流9 V)，还有开关、导线等.

(1)实验中所用的电压表应选______，电流表应选______，滑动变阻器应选______.

(2)下面方框(图6)中画出实验电路图，要求电压从零开始测量.

(3)将实物(图7)按你所画的电路连接起来.

图6 (2)问题图

图7 (3)问题图

分析:电压表的选择，器材的选择需安全和精确，需根据灯泡的额定电压和额定电流选择电流表和电压表的量程.因小灯泡上标有“6 V，0.2 A”字样，小灯泡的额定电压为6 V，从安全和精确度方面考虑，若用3 V量程电压表，电压不能超过3 V，所以电压表量程选10 V的，故电压表应选B，选A则量程太小.

电流表的选择，小灯泡的额定电流为0.2 A，为减小读数误差，电流表量程选0.3 A的，所以电流表应选C，选D量程太大.

滑动变阻器接法的选择，因要求电压从零开始连续调节，因为限流式接法电压最小值达不到零，所以滑动变阻器应用分压式接法.

滑动变阻器大小的选择，因为分压式接法中，只有在滑动变阻器的电阻小于待测电阻时，滑动变阻器才能起到控制作用，使待测电阻两端的电压平稳的变化，方便观测数据.小灯泡正常工作时的电阻是30 Ω，滑动变阻器E的电阻比小灯泡的电阻小，所以滑动变阻器选应选阻值小的变阻器E，若选滑动变阻器F，因其阻值比灯泡阻值大，不能使灯泡两端电压平稳变化.

电路图和实物连线如图8,9所示.