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在高考物理实验题中,我们多次考查滑动变阻器的两种接法——分压式与限流式。但虽多次考查,仍有很多学生出错。为什么会出现这一现象?主要原因是学生没有掌握好两种连接方式的特点及作用,遇到具体问题时不知道该如何连接。
一、限流式连接方式的特点
滑动变阻器用作限流时,其连接如图1所示。它是把滑动变阻器串联在电路中,用以控制或调节电路中的电流。使用时,连接滑动变阻器的导线应分别接金属杆一端和电阻线圈一端的接线柱。此电路中,待测电阻Rx两端电压的调节范围约为E·Rx/(R Rx)~E之间。
器材包括:电压表V1、电流表A2、变阻器R2、电源、开关及导线。
若实验中要用小阻值的滑动变阻器控制大阻值负载,或者题中所给电源电动势过大,尽管滑动变阻器阻值也较大,但总电流大于负载的额定电流值,或总电流大于接入电表的量程,此时的滑动变阻器也应接成分压式电路;若负载电阻的额定电流不清楚,为安全起见,一般也连成分压电路。
例2:为了较准确地用伏安法测定一只阻值大约是3kΩ的电阻,备用的器材有:A、直流电源,电压12V,内阻不计;B、電压表,量程0~3~15V,内阻10kΩ;C、电流表,量程0~0.6~3A,内阻20Ω;D、毫安表,量程5mA,内阻200Ω;E、滑动变阻器,阻值0~50Ω;G、电键及导线若干。试设计出实验电路。
分析:本题中,由于待测电阻约为3kΩ,而滑动变阻器控制大阻值负载的情况,因此应将滑动变阻器接成分压电路,否则无法调节负载电阻两端的电压及通过负载电阻的电流的有效变化而造成较大的偶然误差。设计电路如图4所示(外接法及电表选取分析略)。
例3:用伏安法测一个电阻Rx的阻值。提供器材有:待测电阻Rx(约5kΩ)、电压表(0~3V,内阻100kΩ)、微安表(0~500μA,内阻100Ω)、变阻器(0~20kΩ)、稳压电源(输出电压15V)。试设计出实验电路。
分析:若接成限流电路,电路中最小电流:Imin=E/R=15/(5 20)×103A=0.6×10-3A=600μA,大于微安表的量程。因此,为了电路安全必须将变阻器接成分压电路,如图2所示。
(二)限流电路的选取
1. 一般说来,题目若没有特别的要求,由于限流电路具有节能的优点,并且限流电路的连接较为简便,则优先采用限流接法。
由图1和图2不难看出,若用电器正常工作,图2电路中的总电流必然大于图1电路中的总电流,因而图2分压电路消耗的电功率较大。所以,为了节能和电路连接的方便,通常采用限流式接法。
2. 若题目中要用较大阻值的滑动变阻器控制阻值较小的负载,在保证负载和电表安全的前提下,一般也将滑动变阻器接成限流电路。
例4:在上述的图2电路中,如果Rx较小,R较大,那么在P由a滑到b的过程中,由于Pa电阻与Rx并联的电阻较接近Rx,因此在开始的很长一段距离上Rx上的电压变化较小,而在P接近b端时,因并联值与P电阻迅速接近而使Rx上电压发生突变(即突然增加),故此不易控制,所以此种情况下应把滑动变阻器接成限流电路。
可见,如若切实掌握了分压与限流接法的电路特点和电路选择原则,有关滑动变阻器的连接问题就可迎刃而解了。
一、限流式连接方式的特点
滑动变阻器用作限流时,其连接如图1所示。它是把滑动变阻器串联在电路中,用以控制或调节电路中的电流。使用时,连接滑动变阻器的导线应分别接金属杆一端和电阻线圈一端的接线柱。此电路中,待测电阻Rx两端电压的调节范围约为E·Rx/(R Rx)~E之间。
器材包括:电压表V1、电流表A2、变阻器R2、电源、开关及导线。
若实验中要用小阻值的滑动变阻器控制大阻值负载,或者题中所给电源电动势过大,尽管滑动变阻器阻值也较大,但总电流大于负载的额定电流值,或总电流大于接入电表的量程,此时的滑动变阻器也应接成分压式电路;若负载电阻的额定电流不清楚,为安全起见,一般也连成分压电路。
例2:为了较准确地用伏安法测定一只阻值大约是3kΩ的电阻,备用的器材有:A、直流电源,电压12V,内阻不计;B、電压表,量程0~3~15V,内阻10kΩ;C、电流表,量程0~0.6~3A,内阻20Ω;D、毫安表,量程5mA,内阻200Ω;E、滑动变阻器,阻值0~50Ω;G、电键及导线若干。试设计出实验电路。
分析:本题中,由于待测电阻约为3kΩ,而滑动变阻器控制大阻值负载的情况,因此应将滑动变阻器接成分压电路,否则无法调节负载电阻两端的电压及通过负载电阻的电流的有效变化而造成较大的偶然误差。设计电路如图4所示(外接法及电表选取分析略)。
例3:用伏安法测一个电阻Rx的阻值。提供器材有:待测电阻Rx(约5kΩ)、电压表(0~3V,内阻100kΩ)、微安表(0~500μA,内阻100Ω)、变阻器(0~20kΩ)、稳压电源(输出电压15V)。试设计出实验电路。
分析:若接成限流电路,电路中最小电流:Imin=E/R=15/(5 20)×103A=0.6×10-3A=600μA,大于微安表的量程。因此,为了电路安全必须将变阻器接成分压电路,如图2所示。
(二)限流电路的选取
1. 一般说来,题目若没有特别的要求,由于限流电路具有节能的优点,并且限流电路的连接较为简便,则优先采用限流接法。
由图1和图2不难看出,若用电器正常工作,图2电路中的总电流必然大于图1电路中的总电流,因而图2分压电路消耗的电功率较大。所以,为了节能和电路连接的方便,通常采用限流式接法。
2. 若题目中要用较大阻值的滑动变阻器控制阻值较小的负载,在保证负载和电表安全的前提下,一般也将滑动变阻器接成限流电路。
例4:在上述的图2电路中,如果Rx较小,R较大,那么在P由a滑到b的过程中,由于Pa电阻与Rx并联的电阻较接近Rx,因此在开始的很长一段距离上Rx上的电压变化较小,而在P接近b端时,因并联值与P电阻迅速接近而使Rx上电压发生突变(即突然增加),故此不易控制,所以此种情况下应把滑动变阻器接成限流电路。
可见,如若切实掌握了分压与限流接法的电路特点和电路选择原则,有关滑动变阻器的连接问题就可迎刃而解了。