限流和分压电路多功能演示仪

程柏

(新疆兵团第七师高级中学 新疆 伊犁 833200)

1 教具装置介绍

如图1所示，在长107 cm、宽58 cm的木板右侧画出限流、分压电路图，左侧对应地将稳压电源(8 V)、开关、数字电流表、电压表，滑动变阻器5 Ω,20 Ω,50 Ω，小灯泡(9 V,0.37 A),红色发光二极管及串联的定值电阻(225 Ω)，自制定值电阻62 Ω固定在木板上.

图1 教具装置图

2 电路设计

(1)将限流、分压电路整合在一起：如图2所示，当S2断开时为限流电路，S2闭合时为分压电路，通过对比让学生认清两种电路结构不同.

(2)功能拓展：使得负载元件可以选择定值电阻、小灯泡、发光二极管；滑动变阻器可选择5 Ω,20 Ω,50 Ω 3种量程.

图2 限流、分压电路整合电路图

图3为实验装置电路图.开关S1断开，不接触1,2,3触点，即采用滑动变阻器限流式接法：对应开关S4接触点1时，接入滑动变阻器50 Ω；对应开关S4接触点2时，接入滑动变阻器20 Ω；对应开关S4接触点3时，接入滑动变阻器5 Ω.

图3 实验装置电路图

当开关S1闭合，则采用滑动变阻器分压式接法：S1,S4闭合于对应的1处，采用滑动变阻器50 Ω分压接法；S1,S4闭合于对应触点2时，采用滑动变阻器20 Ω分压接法；S1,S4闭合于对应的3处，采用滑动变阻器5 Ω分压接法.

3 功能用途展示

3.1 演示限流接法时 电流电压的变化规律

将电路图图3中的开关S1断开;开关S2闭合至触点2，接入灯泡负载;闭合开关S3至触点1；闭合开关S3,闭合开关S4至触点2，接入滑动变阻器20 Ω；呈现限流电路如图4所示.

图4 限流电路图

滑片先置于最左端，闭合开关S,将滑片从最左边缓慢地移动至最右边，观察灯泡的发光情况，记录电流表A2,A3和电压表V2,V3的数据变化，发现I2=I3且最小电流不为零；U1=U2+U3串联分压的规律.

3.2 探究分压接法的电路结构

将图3中的开关S1闭合至触点2;开关S2闭合至触点2，接入灯泡负载;闭合开关S3至触点1；闭合开关S4至触点2，接入滑动变阻器20 Ω；呈现分压电路如图5所示.

图5 分压电路图

闭合开关S,将滑片从最左边缓慢地移动至最右边，记录各电表的示数，容易观察到：

(1)当滑片置于最左端a时，电流表A2示数、电压表V2示数几乎为零，即通过灯泡的电流和两端的电压均几乎为零；

(2)滑片P在由a到b的过程中，电流表A2,A3示数均在增加，且恒有电流表A3示数等于电流表A1与电流表A2示数之和，电压表V2,V3的示数恒等于电压表V1的示数，即分压接法电路的结构为灯泡和滑动变阻器aP部分并联，再与Pb部分串联.

3.3 限流和分压电路的调压范围对比

实验发现：限流接法，灯泡电压V2调节范围在2.75～6.71 V；而采用分压接法，灯泡电压V3调节范围在0.30～6.40 V；显然分压式接法，对负载灯泡电压调节范围要大.

3.4 分压式接法选择总阻值不同的滑动变阻器对负载电阻调压效果比较

先将图3中开关S2闭合至触点3，接入定值电阻62 Ω，闭合开关S3至触点1.分别接入滑动变阻器50 Ω,20 Ω,5 Ω；将滑片从最左边缓慢移动至最右边，观察电阻负载中电流、电压的变化，对比体会调压的便捷性和精确性.

实验发现：使用总阻值为50 Ω的滑动变阻器时，右移滑片过程中，开始定值电阻两端电压增加很缓慢，但增大到某一值时，其增长的幅度骤然变大，想把电压调节某一确定值就很困难，而换做滑动变阻器5 Ω，电压随RaP变化均匀，呈现较好的线性关系.

如图6所示，教师可以从理论上说明，滑动变阻器总阻值越小于负载电阻R的值，移动滑片时负载电压变化的线性程度越好、越方便读数.

图6 总阻值不同滑动变阻器对负载电阻调压效果理论说明图

3.5 限流电路和分压电路的能耗对比

对灯泡选择滑动变阻器20 Ω，如图7(a)所示：采用限流电路，在调节滑动变阻器的滑片使得灯泡两端电压约为6.2 V情况下，记录下干路电流表A3示数约为449 mA和路端电压V1的示数为7.85 V；如图7(b)所示：采用分压电路，在调节滑动变阻器的滑片使得灯泡两端电压约为6.2 V情况下，记录下干路电流表A3示数约为769 mA和路端电压V1的示数为7.67 V；不难发现分压式接法耗能更大，所以在两种接法调节灯泡电压都可行的情况下，优先考虑限流式接法，更方便，更节能.

(a)限流电路

(b)分压电路

3.6 对动态电路的规律演示

(1)对于图3限流式电路，当滑片向右滑动时，变阻器RPb阻值变小，实验观察到电流表A2,A3,电压表V2示数在变大，而电压表V1,V3示数变小；验证了“串反并同”规律.

(2)将图3中的开关S1闭合至触点2;开关S2闭合至触点3，接入定值电阻62 Ω;闭合开关S3至触点1；闭合开关S4至触点2，接入滑动变阻器20 Ω；呈现分压电路如图8所示.

图8 动态电路规律演示电路图

问：当把滑片从a向b移动时，各个电表如何变化？“串反并同”的规律还适用么？

设电路ab两点间的总电阻为Rab,定值电阻记为R0，滑动变阻器总阻值记为R，由串并联电路的性质可知

当RPa↓→Rab↓→I3↑→U内↑→U1↓；

由并联分流可知：

当RaP↑→I2↑→U2↑=I2↑R0→U3↓=U1↓-U2↑；唯有电流表A1的示数变化不能确定.

这一生成的教育资源必将促进爱动脑筋的学生们去进一步思考.

3.7 功能拓展

该演示装置还可以测绘线性元件定值电阻、非线性元件小灯泡、发光二极管的伏安特性曲线，伏安法测电阻，测电源电动势和内阻等实验，可谓是多功能演示器.

4 创新要点

(1)展示板大方稳固，线路直观简明，实物、电路图一一对应，便于观察、思考.

(2)操作方便，效果明显.限流和分压电路整合在一起，通过自制单刀多向开关，方便实现两种电路结构和不同规格滑动变阻器以及负载元件的选择.

(3)电流、电压表数字化，能有效动态演示，便于记录数据、发现规律.

(4)功能丰富，可根据不同的实验目的，通过组合元件，改变电路结构，探究教学.

5 教育启示

物理演示实验的教育功能在于通过观察感知活动形成物理知觉，通过自觉表象活动使物理知觉上升为物理表象，再通过发生认知冲突促进认知图示的发展，由认知图示产生物理的概念和规律.区别限流、分压电路不同结构、不同规律、不同功能，就应当把电路“竖立起来”，在电路展板上显化电路图所对应的实验装置，演示限流结构和分压结构之间的转换，利用数字电表快速反应电路中各元件上的电压、电流变化规律，使得理论背后的规律动态、活泼起来，直观可视化，促进学生的科学思维和认知图示的形成.