分压电路中滑动变阻器选择的深度讨论

陈玉军

(江苏省盐城市亭湖高级中学，江苏 盐城 224001)

在电学实验电路的设计中我们常常需要选择实验电路和实验器材,进行有关的实验,探究相关的结论．实验电路包括测量电路(如电流表内接法和外接法)和供电电路(如限流式和分压式),按照电路设计的基本原则,要求安全性好、误差小、仪器少、耗电少、操作方便等．对于供电电路常涉及到滑动变阻器的选择问题,这是教学中常见的问题,也是高考中的热点问题．下面谈谈如何进行供电电路中分压电路的滑动变阻器的选择．

分压法和限流法供电电路虽然都可以调节负载电阻的电压和电流的大小,但在不同条件下,调节效果不一样．根据电路设计的基本原则,用分压法还是限流法通常按下列几种情况进行选择.

(1) 负载电阻的阻值Rx远大于滑动变阻器的总阻值R,应该选用分压式电路;

(2) 要求负载上电压或电流变化范围较大,并且从零开始连续可调,选用分压式电路;

(3) 负载电阻阻值Rx小于滑动变阻器阻值R或相差不多,并且电压、电流变化不需要从零调起,可采用限流式接法;

(4) 两种电路均可使用的情况下,应优先采用限流式接法;

(5) 特殊情况还要根据电压表和电流表量程以及电阻允许通过的最大电流值等多种情况来反复推敲,选择最佳的电路．

根据上述几种选择情况,于是我们有的老师在课堂上就交给学生这样的结论:分压式电路选滑动变阻器时总阻值应小于负载电阻的阻值,并且越小越好;限流式电路选滑动变阻器总阻值大于或等于负载电阻的阻值,或者相差不大．以上内容就是我们通常给学生的现成结论．

那么,这样的结论在任何情况下都合理吗?下面我们看一道实验例题,看看分压式电路滑动变阻器的选择为什么要比负载电阻小、是否在任何情况下都是越小越好．

实验1.在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中备有下列器材:

(A) 小灯泡(3.8 V,1.5 W).

(B) 直流电源(电动势4.5 V,内阻约0.4 Ω).

(C) 电流表(量程0～500 mA,内阻约0.5 Ω).

(D) 电压表(量程0～5 V,内阻约5000 Ω).

(E) 滑动变阻器R1(0～5 Ω,额定电流2 A).

(F) 滑动变阻器R2(0～50 Ω,额定电流1 A).

(G) 开关一个,导线若干.

如果既要满足测量要求,又要使测量误差较小,应选择图1所示的4个电路中的________,应选用的滑动变阻器是________．

图1

分析:由于是描绘小灯泡的伏安特性曲线,要求负载上电压变化范围较大,并且从零开始连续可调,所以应选用分压式电路．题中提供了两个滑动变阻器,全值电阻分别为5 Ω、50 Ω,由于负载电阻阻值约10 Ω,根据前面的选择要求很显然滑动变阻器应选R1．那么为什么不选R2呢?

图2

图3

如图3所示,由U-Rx图像说明小灯泡两端的电压随滑动头向右滑动的距离的增加几乎均匀的变化．这样就很方便于实验操作和读取数据．

而当滑动变阻器选用R2时,小灯泡分压为外电路最大电压一半时,同理可求得Rx=42 Ω,也就是滑动头向右滑动五分之四以上小灯泡才分一半电压．如图4所示,由U-Rx图像可知另一半电压的读取是在滑动头位于滑动变阻器上右侧不到1/5的空间上调节而得到的．

图4

图5

实验1中电源如果是比较旧的电池,内阻较大,变为3 Ω,R2变为(0～20 Ω,额定电流1 A),那么滑动变阻器又应该如何选择呢?

实验2.在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中备有下列器材:

(A) 小灯泡(3.8 V,1.5 W).

(B) 直流电源(电动势4.5 V,内阻约3 Ω).

(C) 电流表(量程0～500 mA,内阻约0.5 Ω).

(D) 电压表(量程0～5 V,内阻约5000 Ω).

(E) 滑动变阻器R1(0～5 Ω,额定电流2 A).

(F) 滑动变阻器R2(0～20 Ω,额定电流1 A).

(G) 开关一个,导线若干.

如果既要满足测量要求,又要使测量误差较小,应选择图6所示的4个电路中的________,应选用的滑动变阻器是________．

图6

图7

分析:如图7所示,如果按照越小越好选择,那么应该选R1,当滑动变阻器选R1,滑动头滑到最右端时小灯泡分电压最大,由于电源内阻较大,根据闭合电路欧姆定律,小灯泡分得最大电压约为2.4 V,只有其额定电压的显然测量范围较小,数据采集不足,作图法处理数据时不能全面地体现小灯泡伏安特性曲线的规律．而当滑动变阻器选R2时,同理可求得小灯泡最大分压约为3.1 V,此时小灯泡获得的最大电压接近其额定电压3.8 V,测量范围较大,比较合理．同理我们可以求得当R的全值电阻为30 Ω时,小灯泡最大分压为3.21 V;R的全值电阻为40 Ω时,小灯泡最大分压为3.27 V;R的全值电阻为50 Ω时,小灯泡最大分压为3.31 V;R的全值电阻为无穷大时,小灯泡分压达最大为3.46 V．

由此可见在这样的电源供电的情况下,无论选用多大的滑动变阻器也不能使小灯泡获得额定的电压．为了使实验达到尽可能好的效果:测量范围较大;操作方便．本实验我们应该选用20～30 Ω左右的滑动变阻器,即实验2中应选R2而不是R1．所以在实验过程中我们常常看到又一种现象:尽管电源电动势大于小灯泡的额定电压,但在滑动变阻器的滑动头向右滑动到右端的过程中,小灯泡两端的电压(电压表读数)增加到一定值(还没有达到其额定值)就不再增加,使测量的范围达不到要求,使实验达不到预期效果．这往往就是由于电源内阻较大引起的,为达到较好的实验效果,应更换新电池或内阻较小的电源．

从上面两个实验不难看出:供电电路中分压电路的滑动变阻器的选择不能机械地套用现成的结论,应该具体问题具体分析．如果电源是内阻很小的电源,那么滑动变阻器全值电阻越小越好,而当电源内阻较大(相对于负载电阻)时,滑动变阻器的全值电阻并不是越小越好,有时甚至还要比负载电阻大一些．因此在教学过程中,我们一定要根据实际情况,具体问题具体分析,切不可以偏概全,简单结论．

教学中我们应该在实验室准备好相关器材,分别进行实验1和实验2的操作,让学生在实验中去感受实验现象、操作的烦易、数据的特点、结论的形成,使他们在实验中体会理论和实践的联系,逐步形成物理学科的核心素养．