滑動變阻器調(diào)節(jié)的有效性分析

唐建勛

(無錫市輔仁高級中學(xué) 江蘇 無錫 214123)

滑動變阻器調(diào)節(jié)的有效性分析

唐建勛

(無錫市輔仁高級中學(xué) 江蘇 無錫 214123)

滑動變阻器在電路中的調(diào)節(jié)作用，在限流和分壓兩種接法中得以體現(xiàn)，所謂調(diào)節(jié)方便有效，就是指電路中的電流或電壓等參量隨滑動變阻器的滑片線性變化，但其阻值的大小會在其中起到至關(guān)重要的影響.

滑動變阻器 調(diào)節(jié)方便 有效性

在恒定電流電路分析與設(shè)計中，滑動變阻器作為一個重要的實驗器材是必不可少的，而且它也是高考實驗題的一個重要考查部分，其中包括了滑動變阻器的選擇、連接等問題．學(xué)生最早接觸滑動變阻器時，它是這樣被介紹的：滑動變阻器通過改變滑片的位置來改變接入電路中的電阻絲長度，從而改變阻值．因此，滑動變阻器最初的應(yīng)用是通過改變自身的阻值，來調(diào)節(jié)電路中的電流和其他部分電路的電壓．在這種情況下，滑動變阻器接入的是一個上腳和一個下腳，通過調(diào)節(jié)滑片的不同位置來調(diào)節(jié)接入電路中的阻值，這種接法被稱為限流法．隨著高中階段恒定電流部分學(xué)習(xí)的深入，在一些對電壓和電流調(diào)節(jié)有特殊要求的實驗中，比如“描繪小燈泡伏安特性曲線”，滑動變阻器的限流法就不再能適應(yīng)新的情況，于是學(xué)生需要掌握一種新的接法——分壓法．這個接法需要用到兩個下腳和一個上腳，其中兩個下腳作為控制電路直接接入到電源兩端，而取一個上腳和一個下腳作為測量電路的輸出端為待測元件提供電壓．當(dāng)引入了滑動變阻器的兩種接法后，電路實驗部分考查的重點就凸顯出來了：滑動變阻器在實驗中應(yīng)采用哪種接法呢？與之密切相關(guān)的另一個問題也常常會被提出：在所給的若干個滑動變阻器中，我們應(yīng)選擇哪個呢？

對于滑動變阻器接法的選擇，不外乎考慮以下3個因素：

(1)滑動變阻器能否有效保護電路其他部分，并使自身安全；

(2)滑動變阻器能否在某些有特殊要求的實驗中使電壓或電流從零開始連續(xù)變化；

(3)滑動變阻器調(diào)節(jié)是否方便．

而對于滑動變阻器器材的選擇，也是從上述的第一點和第三點進(jìn)行考慮的．其中第一點可由電源電動勢與各元件的額定電流大小來判斷，第二點則會在問題直接給出明示，而第三點往往是最難把握的，也是在教學(xué)中最容易忽視的．

什么叫滑動變阻器調(diào)節(jié)是否方便？對于這個問題的認(rèn)識，學(xué)生往往是含糊不清的，其中會有這樣一些看法，比如認(rèn)為如果滑動變阻器的阻值較小，滑動變阻器的大小和尺寸就比較小，那么實際操作的時候滑片就比較好調(diào)節(jié)，所以，如果滑動變阻器在能夠滿足第一和第二個要求的前提下，盡量選擇阻值較小的.那么“方便”二字真能這樣簡單地理解嗎？這種說法是有失偏頗的，在實際進(jìn)行實驗操作的時候，的確會遇到滑動變阻器阻值太大，滑動變阻器較大較長，調(diào)節(jié)起來不太方便的情況，但這并不是影響實驗操作的最主要因素，“方便”的真正意義是從調(diào)節(jié)滑動變阻器對改變電學(xué)量的有效性角度來理解的．電學(xué)實驗中滑動變阻器一般有兩方面的作用，一是保護電路，二是改變電路中的電學(xué)參量，通過控制這些變量實現(xiàn)多組數(shù)據(jù)的測量，從而來研究規(guī)律．在高中階段電路實驗的考查中，第二方面的要求尤為突出，因此“方便”更重要的意義在于：電學(xué)參量能隨滑動變阻器滑片的移動呈線性變化，且變化范圍較大．接下來詳細(xì)分析滑動變阻器在兩種不同接法下的調(diào)節(jié)有效性問題．

1 滑動變阻器的限流接法

如圖1所示，將待測電阻R0和滑動變阻器R串聯(lián)，當(dāng)改變滑片位置時，電流表的示數(shù)會隨之如何變化呢？

圖1 滑動變阻器限流接法

由電流表工作原理可知，電流表指針偏轉(zhuǎn)角度與電流的大小成正比，即θ′=kI′，當(dāng)電流達(dá)到滿偏值I時，電流表指針達(dá)到最大偏角θ，同理，θ=kI，定義

其中

則

設(shè)滑動變阻器的最大滑動長度為l0，調(diào)節(jié)滑片的長度l與最大長度l0的比值為q，即l=l0q，則

其中R為滑動變阻器最大阻值，由此可以對電流表指針偏角比率p與滑動變阻器長度變化比率q之間的相關(guān)性進(jìn)行討論．

1．1R?R0

圖2 R?R0時的p-q圖像

1.2R?R0

圖3 R?R0時的p-q圖像

1.3R與R0大小接近

圖4 R與R0接近時的p-q圖像

通過對上述3種情況的討論不難發(fā)現(xiàn)，在選擇滑動變阻器的限流接法時，當(dāng)變阻器的最大阻值遠(yuǎn)小于或者遠(yuǎn)大于待測電阻時，電流大小隨滑片位置變化的相關(guān)性較差，也就是說在這兩種情況下滑動變阻器調(diào)節(jié)電路不夠方便；當(dāng)變阻器的最大阻值與待測電阻差不多時，電流大小隨滑片位置的變化相關(guān)性較高，滑動變阻器調(diào)節(jié)起來就比較方便，電學(xué)參量調(diào)節(jié)的有效性較高，所以在選擇器材時，應(yīng)選擇最大阻值與待測電阻差不多的滑動變阻器．

2 滑動變阻器的分壓接法

如圖5所示，將待測電阻R0和滑動變阻器R采用分壓接法連接，當(dāng)改變滑片位置時，電壓表的示數(shù)會隨之如何變化呢？

圖5 滑動變阻器的分壓接法

由電壓表工作原理可知，電壓表指針偏轉(zhuǎn)角度與電壓的大小成正比，即θ′=kU′，當(dāng)電壓達(dá)到滿偏值U時，電壓表指針達(dá)到最大偏角θ，同理，θ=kU，定義

2.1R?R0

可得

圖6 分壓接法R?R0時的p-q圖像

2.2R?R0

得

p=q

此時p-q圖像變成了斜率為1的正比例函數(shù)圖像，這樣兩者之間的線性關(guān)系是最理想的，也就是說此時電壓表示數(shù)隨滑片滑動而同步變化，示數(shù)變化與滑片滑動距離之間的相關(guān)性非常好．

通過對上述兩種情況的討論不難發(fā)現(xiàn)，在選擇滑動變阻器分壓時，當(dāng)變阻器的最大阻值遠(yuǎn)大于待測電阻時，電壓大小隨滑片位置變化的相關(guān)性較差，在這種情況下滑動變阻器調(diào)節(jié)電路不夠方便；當(dāng)變阻器的最大阻值遠(yuǎn)小于待測電阻時，電壓大小隨滑片位置的變化相關(guān)性最好，滑動變阻器調(diào)節(jié)起來比較方便，電學(xué)參量調(diào)節(jié)的有效性較高，所以在選擇器材時，應(yīng)選擇最大阻值與待測電阻差不多的滑動變阻器．

3 結(jié)論

為了使得滑動變阻器調(diào)節(jié)方便，即滑動變阻器調(diào)節(jié)的有效性較好，在限流接法中，應(yīng)當(dāng)選擇最大阻值和待測電阻接近的滑動變阻器；在分壓接法中，應(yīng)當(dāng)選擇最大阻值遠(yuǎn)小于待測電阻的滑動變阻器．

唐建勛(1979- )，男，中教高級，主要從事中學(xué)物理教學(xué)及研究.

2016-10-24)