唐冬英
(石獅市第一中學(xué) 福建 泉州 362700)
滑動(dòng)變阻器兩種連接方式的選擇原則*
唐冬英
(石獅市第一中學(xué) 福建 泉州 362700)
滑動(dòng)變阻器是中學(xué)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要儀器.滑動(dòng)變阻器接入的方式有限流式和分壓式兩種.不管采用哪種連接方式,其目的都是為了通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器,使待測(cè)電流和待測(cè)電壓能平穩(wěn)地變化,便于采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),從而減小實(shí)驗(yàn)的誤差.當(dāng)測(cè)量對(duì)象已經(jīng)確定時(shí),怎么確定滑動(dòng)變阻器是接成限流式還是分壓式呢?要解決好此類問(wèn)題,就要知道限流式和分壓式兩種接法對(duì)滑動(dòng)變阻器的阻值特點(diǎn)要求,知道滑動(dòng)變阻器兩種連接方式的選擇原則.
1.1 當(dāng)滑動(dòng)變阻器RaP的阻值平穩(wěn)變化時(shí),電路電流能平穩(wěn)變化的條件
如圖1所示,設(shè)電源電動(dòng)勢(shì)為E,內(nèi)阻不計(jì),滑動(dòng)變阻器的最大電阻為R0,負(fù)載電阻為R,滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻值為RaP.
圖1 限流式電路圖
根據(jù)閉合電路歐姆定律,通過(guò)電阻R的電流
電流IR與電阻RaP不是線性關(guān)系,IR隨RaP的增大而減小.那么,R0與R的大小有何關(guān)系時(shí),電流IR隨
RaP的變化能近似平穩(wěn)地變化呢?
表1 R0 由表1可得到如圖2所示的IR隨RaP的變化圖線.從圖2的曲線可以看出來(lái),當(dāng)R0 圖2 R0 表2 R0>R時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 由表2可得到如圖3所示的IR隨RaP的變化圖線.由圖3曲線可知,隨著RaP均勻地變化,當(dāng)RaP>3R時(shí),IR能近似平穩(wěn)地變化.這是因?yàn)楫?dāng)RaP>3R時(shí),IR主要取決于RaP,調(diào)節(jié)RaP的大小可使IR平穩(wěn)的變化,可見當(dāng)R0>R時(shí),電路宜采用限流式接法.但是,實(shí)際選擇滑動(dòng)變阻器時(shí),并不是R0越大越好,R0很大,其單位長(zhǎng)度的阻值越大,觸頭P處的a點(diǎn)稍作移動(dòng),整個(gè)電路總電阻變化很大,通過(guò)電路的電流變化就很大. 由圖3曲線可知,要平穩(wěn)地調(diào)節(jié)電流的變化,滑動(dòng)變阻器的阻值R0一般為待測(cè)電阻R的3~10倍. 圖3 R0>R時(shí)變化曲線 1.2 負(fù)載輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍 當(dāng)RaP=R0時(shí),滑動(dòng)端處于b,有 當(dāng)RaP=0時(shí),滑動(dòng)端處于a端,有 UR=Um=E 通過(guò)以上分析可以得出這樣的結(jié)論:限流式接法中,要使滑動(dòng)變阻器起到對(duì)IR的控制作用,使IR近似平穩(wěn)地變化,必須滿足R0>R(或者相差不多)的條件,當(dāng)RaP為待測(cè)電阻R的3~10倍時(shí),調(diào)節(jié)效果最好. 2.1 當(dāng)滑動(dòng)變阻器RaP的阻值平穩(wěn)變化時(shí),輸出電壓能平穩(wěn)變化的條件 如圖4所示,設(shè)電源電動(dòng)勢(shì)為E,內(nèi)阻不計(jì),滑動(dòng)變阻器的最大電阻為R0,負(fù)載電阻為R,負(fù)載輸出端部分的滑動(dòng)變阻器的阻值為RaP. 圖4 分壓式電路圖 將滑片P自a端向b端移動(dòng),根據(jù)歐姆定律可得輸出電壓為 可見UR與RaP不成線性關(guān)系,輸出電壓不是線性變化的.那么,當(dāng)RaP與負(fù)載R大小關(guān)系怎樣時(shí),輸出電壓UR是接近線性變化的呢? 設(shè)R0=55 Ω,R分別取5 Ω,10 Ω,50 Ω,500 Ω,1 000 Ω,∞(即不接入負(fù)載時(shí))時(shí),調(diào)節(jié)滑片P,使RaP分別為R0的0.1,0.2,0.3,0.4,…,1倍,得到對(duì)應(yīng)的輸出電壓UR的大小如表3所示. 表3 分壓接法R0=50 Ω時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 圖5 分壓接法變化曲線 這是因?yàn)楫?dāng)R?R0時(shí),R與RaP的并聯(lián)值R并≈RaP,而整個(gè)電路的總阻約為R0,那么R兩端電壓 顯然UR∝RaP,且RaP越小,這種線性關(guān)系越好,電表的變化越平穩(wěn)均勻,越便于觀察和操作. 通過(guò)以上分析可以得出這樣的結(jié)論:分壓式接法中,要使滑動(dòng)變阻器起到對(duì)UR的控制作用,必須滿足R0 2.2 負(fù)載輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍 由圖4可知: 當(dāng)RaP=0時(shí),滑動(dòng)端處于a端,UR=0. 當(dāng)RaP=R0時(shí),滑動(dòng)端處于b端,UR=E. 即UR的變化范圍為0~E.顯然,滑動(dòng)變阻器被當(dāng)作分壓器使用時(shí),調(diào)節(jié)負(fù)載上電壓的范圍比限流時(shí)調(diào)節(jié)范圍大. 總之,滑動(dòng)變阻器在電路中的接法是用限流式還是分壓式,應(yīng)根據(jù)負(fù)載電阻的大小和滑動(dòng)變阻器阻值的大小關(guān)系及電壓的調(diào)節(jié)范圍等要求綜合考慮而定. 【例題】一個(gè)小燈泡上標(biāo)有“6 V,0.2 A”字樣,現(xiàn)要描繪該燈泡的伏安特性曲線,有下列器材供選用: A.電壓表(0~5 V,內(nèi)阻1.5 kΩ) B.電壓表(0~10 V,內(nèi)阻3.0 kΩ) C.電流表(0~0.3 A,內(nèi)阻2.0 Ω) D.電流表(0~0.6 A,內(nèi)阻1.0 Ω) E.滑動(dòng)變阻器(10 Ω,2 A) F.滑動(dòng)變阻器(100 Ω,0.5 A) G.學(xué)生電源(直流9 V),還有開關(guān)、導(dǎo)線等. (1)實(shí)驗(yàn)中所用的電壓表應(yīng)選______,電流表應(yīng)選______,滑動(dòng)變阻器應(yīng)選______. (2)下面方框(圖6)中畫出實(shí)驗(yàn)電路圖,要求電壓從零開始測(cè)量. (3)將實(shí)物(圖7)按你所畫的電路連接起來(lái). 圖6 (2)問(wèn)題圖 圖7 (3)問(wèn)題圖 分析:電壓表的選擇,器材的選擇需安全和精確,需根據(jù)燈泡的額定電壓和額定電流選擇電流表和電壓表的量程.因小燈泡上標(biāo)有“6 V,0.2 A”字樣,小燈泡的額定電壓為6 V,從安全和精確度方面考慮,若用3 V量程電壓表,電壓不能超過(guò)3 V,所以電壓表量程選10 V的,故電壓表應(yīng)選B,選A則量程太小. 電流表的選擇,小燈泡的額定電流為0.2 A,為減小讀數(shù)誤差,電流表量程選0.3 A的,所以電流表應(yīng)選C,選D量程太大. 滑動(dòng)變阻器接法的選擇,因要求電壓從零開始連續(xù)調(diào)節(jié),因?yàn)橄蘖魇浇臃妷鹤钚≈颠_(dá)不到零,所以滑動(dòng)變阻器應(yīng)用分壓式接法. 滑動(dòng)變阻器大小的選擇,因?yàn)榉謮菏浇臃ㄖ?,只有在滑?dòng)變阻器的電阻小于待測(cè)電阻時(shí),滑動(dòng)變阻器才能起到控制作用,使待測(cè)電阻兩端的電壓平穩(wěn)的變化,方便觀測(cè)數(shù)據(jù).小燈泡正常工作時(shí)的電阻是30 Ω,滑動(dòng)變阻器E的電阻比小燈泡的電阻小,所以滑動(dòng)變阻器選應(yīng)選阻值小的變阻器E,若選滑動(dòng)變阻器F,因其阻值比燈泡阻值大,不能使燈泡兩端電壓平穩(wěn)變化. 電路圖和實(shí)物連線如圖8,9所示. 圖8 (2)問(wèn)答案 圖9 (3)問(wèn)答案 點(diǎn)評(píng):(1)解決本題的關(guān)鍵是掌握器材選取的原則,明確電表和滑動(dòng)變阻器的選擇依據(jù);(2)明確電流表內(nèi)、外接法的選擇原則,知道滑動(dòng)變阻器分壓式和限流式接法的區(qū)別;(3)用曲線連接實(shí)物圖,注意電表的極性以及滑動(dòng)變阻器分壓式連接. 總之,如若切實(shí)掌握了限流式和分壓式兩種接法對(duì)滑動(dòng)變阻器的阻值特點(diǎn)要求,知道滑動(dòng)變阻器兩種連接方式的選擇原則,有關(guān)滑動(dòng)變阻器的連接方式問(wèn)題就可迎刃而解了. *福建省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2015年度常規(guī)課題“高中物理教材二次開發(fā)案例研究”,項(xiàng)目編號(hào):FJJK15-454 2016-10-30)2 分壓式電路中滑動(dòng)變阻器的阻值特點(diǎn)及選擇原則
3 滑動(dòng)變阻器的限流式和分壓式的應(yīng)用