数显限流和分压电路实验仪

龚爱华

数显限流和分压电路实验仪

龚爱华

（重庆市大足中学，重庆 402360）

针对中学物理教学中限流和分压电路各部分电流和电压变化规律这一教学难点，尝试利用电流、电压数字显示器，可拆换式滑动变阻器，小灯泡，可换元件等来制作数显限流和分压电路实验仪，让学生在实验操作、观察过程中对这两种电路的电流和电压变化规律有深刻的认识，使教学过程更加直观，轻松化解教学难点，激发学生的学习兴趣．

限流电路；分压电路；实验仪．

限流和分压电路是中学物理电路板块教学中的基本电路形式，也是中考和高考的重点考查内容．在实际教学过程中发现，学生在解决限流和分压电路有关问题时，出错率高．在教学过程中，教师围绕这两种电路中各部分电流和电压变化规律费尽心思，用大量的推理和计算帮助学生解决这个问题，可学生对这一难点，总是不易弄清楚，有的学生死记结论，生搬硬套，在实际应用中出现这样那样的错误，导致学生觉得物理难学，学不懂．长此以住，学生就对物理这一非常有趣的自然学科失去学习兴趣．分析出错原因，是学生对这两种电路中的电压和电流变化规律掌握不牢．能不能制作一个实验仪器，让学生观察这两种电路中的电流和电压变化规律呢？笔者通过大量的实验，最终用电流、电压数字显示器，可拆换式滑动变阻器，小灯泡，可换元件等来制作“数显限流和分压电路实验仪”，轻松化解这一教学难点．实验仪通过测量滑动变阻器两下接线柱电流、电源电压、滑片电压，让学生通过实验观察，看清两种电路中电流和电压变化规律，并且在实验过程中还有出乎意料的现象，激发了学生的学习兴趣，在学生脑海中留下深刻印象，起到了很好的教学效果，设计原理如图1所示．

图1

1 仪器特点及作用

（1）特点．

① 通过转换开关的断开和闭合得到限流或分压电路，让学生认清两种电路的不同之处．

② 两个电流电压显示器的数值，让学生观察分压和限流电路的电流和电压变化规律，化解教学难点．

③ 实验仪电路规范，整洁，便于学生看清是何种电路．

④ 可拆换式滑动变阻器和可换元件组合使用，让学生轻易理解何时选择限流电路，何时选择分压电路．

⑤ 仪器操作简单，效果好，功能多．

（2）作用．

① 帮助学生掌握限流和分压电路中的电流和电压变化规律．

② 用于中学物理测小灯泡的电阻、伏安特性曲线、测电源内阻等教学．

③ 对学生进行节能教育和安全教育．

④ 激发学生对物理的学习兴趣和探究精神．

2 所需材料

不同粗细的电阻丝各1圈，电流、电压数字显示器2个，实验室用单刀开关2个，1Ω、1000Ω、20Ω，50Ω电阻各1个，亚克力板1块，木板、包边条，导线、接线柱、螺丝适量，手按开关1个，铜皮、铝皮、边长为5mm的方形铁杆等．

3 制作和组装

3．1 滑片组件的制作

（1）取1段长19．5cm的方形铁杆，两端分别用小车床制作1段长为1．3cm，直径为0．4mm的圆杆，并用丝绕出1段长为1cm，直径为4mm的丝杆如图2所示．

（2）用铝皮制作2个边长为1．5cm的直角，并在两直角面上用电钻钻一个直径为4mm的孔，如图3所示．

图3

（3）用铜皮分别制作如图4，图5、图6所示的元件，按图4、图5、图6从上到下组装到一个废弃的滑动变阻器的滑片盖上，制作成滑片组件．

图4

图5

图6

（4）将金属杆穿过组装好的滑片组件孔②，直角组装到金属杆的两端，并用螺丝固定，组成如图7所示的滑片组件．

图7

3．2 电阻板制作

（1）用亚克力板制作两块如图8所示的电阻板骨架，尺寸及规格如图8上标示（左右对称），所有孔的直径都一样．

图8

（2）用电阻丝在骨架上紧绕两个电阻分别为20Ω和50Ω的电阻板．

（3）将电阻丝两端分别用螺丝和链接铜片固定，制作好后如图9所示．

图9

3．3 可换元件制作

（1）用1块15×100mm的铜皮卷成一个有弹性的圆柱，当不用小灯泡时插入灯座中，接通电路．

（2）用1块10×70mm的铜皮制作一根短路线，当不用可换元件时接通电路．

（3）用1Ω5W、1000Ω5W的电阻制作两个电阻可换元件，探究电路电阻过大和过小时，移动滑片时电流和电压变化的情况．

（4）用20Ω5W的电阻制作一个电阻可换元件，用于探究不用小灯泡时的限流和分压电路．3．4 面板制作及组装

（1）取1块长宽分别为35×26．5cm的装修后剩下的木板．

（2）将可拆换式滑动变阻器（由滑片组件、电阻板组成）、电流电压数字显示器、灯座、可换元件座、显示器开关、接线柱、开关等元件固定到木板的适当位置，并用铜导线连接起来．

（3）用木板、装修用包边条将面板装饰一下，在相应的元件位置贴上相关标识，最后制作完成如图10所示．

图10

图11

4 实验仪的功能展示

4．1 限流作用

如图11所示，用铜导线代替可换元件，接通电源，将限流、分压电路转换开关断开，组成限流电路．滑片滑到最右边，闭合开关，将滑片从右边向左边慢慢移动，观察小灯泡的发光情况，并在表1中记下相应数据，更换电阻板，在表2中记下相应数据．

表1 （电源电压为9V，R滑＝20Ω，可换元件为铜导线）

数 项目据项目滑动变阻器接入电路的电阻（约）_ 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灯／m A 1 4 8 1 6 2 2 0 2 2 5 7 3 3 1 P总／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

从表1、表2实验数据，学生可以清楚地看出：

（1）限流电路中，无论滑片处在什么位置，滑片两端（小灯泡）电流和电压都大于0．

（2）当滑片从右向左移动过程中，滑片两端电压，流过滑片、小灯泡的电流逐渐增大．

（3）无论滑片在什么位置，I右电流始终为0，说明流过滑动变阻器的电流路径为：电源、左电流电压数字显示器、左接线柱、滑动变阻器、滑片组件、小灯泡、负极，而滑片、右接线柱、右电流电压数字显示器间没有电流．

图12

（4）电源消耗的总功率随着滑动变阻器接入电路的电阻减小而增大．

4．2 分压作用如图12所示，用铜导线代替可换元件，将分压限流转换开关闭合，组成分压电路．接通电源，滑片滑到最右边，闭合开关，将滑片从右边向左边慢慢移动，观察小灯泡的发光情况，并在表3中记下相应数据，更换电阻板，在表4中记下相应数据．

表3 （电源电压为9V，R滑＝20Ω，可换元件为铜导线）

数 项目据项目_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _滑动变阻器接入电路的电阻（约）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灯／m A 0 1 3 7 1 7 5 2 4 0 3 2 7 P总／W 1．5 7 5 1．9 0 8 2．3 6 7 3．1 7 7 3 4．3 5 6

从表3、表4实验数据，学生可以清楚地看出：

（1）分压电路中，当滑片在最右边时，滑片两端（小灯泡）电流和电压都为0．

（2）当滑片从右向左移动过程中，滑片处电压逐渐增大，而滑动变阻器I右的电流是先减小，然后增大．

这一现象出乎学生的意料，引起高中学生强烈的好奇心，激发学生的求知欲望（平常滑片从右向左移动过程中，要么电流变大，要么电流减小）．教学中演示了这一实验现象后，教师因势利导，引导学生对分压电路进行分析和计算，得出了与实验完全一致的结论．学生也对分压电路有了更深刻的认识和理解．

（3）当滑片从右向左移动过程中，滑片两端电压、流过滑片、小灯泡的电流（I＝I左－I右）逐渐增大，并且不是线性变化．

（4）电源消耗的总功率随着滑片向左移动，逐渐增大．

4．3 限流和分压电路的选择

通过以上探究实验，用可换元件探究特殊情况，学生可以比较容易得出以下结论．

（1）相同情况下，分压电路消耗的功率要大于限流电路，所以当两种电路都满足实验要求时，从节能的角度出发，应选择限流电路，同时也对学生进行节能减排教育．

（2）如果控制电路的电压和电流要求从0开始变化，这时只能选择分压电路，如测量小灯泡的伏安特性曲线，收音机音量控制等电路就只能采用分压电路．

（3）无论分压或限流电路，在满足实验要求的前提下，尽量选择阻值较大的滑动变阻器，以减小电源消耗的功率，达到节能减排的目的，也是实际电路设计中必须注意的一个问题．

5 功能扩展

用一个6V的直流电动机作可换元件，还可以探究电流通过电动机做功，计算公式只能用W＝UIt，而W＝I2Rt等变形公式只计算了电动机发热消耗的电能．

在教学过程中演示好物理实验，有助于学生深刻地理解所要研究的物理知识的本质，激发学生学习物理的浓厚兴趣，转变以往被动的知识灌输模式，让学生走向积极、主动的自主性学习，从而实现真正的高效课堂．特别是当学生看到自己的教师带着自制的实验器材，准确、高效、演示实验现象，快速得出实验结论，就会从内心深处产生对教师崇敬和喜欢，从而也喜欢上教师所教的学科—物理．

1 王小庆，代黎娜．真正优化物理实验实现高效物理课堂［J］．中学物理教学参考，2015（12）：58－59．

2 何文明．谈分压电路和限流电路对滑动变阻器的选择［J］．物理教师，2002（1）：20－21．

2016－08－15）