滑动变阻器限流和分压接法选择

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  随着现代教育的不断发展,在高考中对于学生所学知识的应用能力考查比例更大.根据以往考生在物理高考中的问题,发现,虽然对滑动变阻器的考查已经有过多次了,但是每年还是会有大量的学生无法选择出正确的接线方式,最终选择失分.究其原因,目前学生对于滑动变阻器的认识还不够充分,虽然了解了限流与分压两种接线方式,但对于这两种接线方式的主要特点却也还认识不够全面.滑动变阻器是一种常见的仪器,在中学的教材中对它的理论不够充分,教师在讲解时也多以表面特点进行讲解.本文将会分别对两种接线方式进行介绍,通过特点分析,让学生能够对不同的接线方式的特点认识更加充分,从而在考查中能够做出正确的判断.
  
  1限流电路特点
  
  
  如图1所示,这种滑动变阻器与被控电阻串联的方式称为限流式接线法.设电源的电压为E,滑动变阻器的最大值是R0,这时接入电路中的电阻为Rap,R为被调控的对象.电路中的电流值为I=E/(Rap R),从计算公式中可以看到,当滑动变阻器的阻值Rap不断增大时,电流值将会不断降低.如果滑动变阻器不起作用,这时电路的最大电流值Imax=E/R,这时被控电阻两端的电压为电源电压,但是如果滑动变阻器在电路中的应用电阻最大时,会产生电路中的最小电路值Imin=ER R0,被控电阻两端的电压值为Umin=IminR,当滑动变阻器的阻值为被控电阻的阻值比为1,3,5时,电路中的负载电压最小值将会为E/2、E/4、E/6等.
  
  如果滑动变阻器的总体阻值比较小时,对于整个电路的控制力就越小.应用在实际的电路中时,也并非越大越小,如果滑动变阻器的长度过大,稍微一点的P点移动都将会使整个电路的阻值发生重大变化,通过电路的电流值将会很小,滑动变阻器只能在一个较小的范围内变化调节.所以为了实现滑动变阻器的实用距离可以很大,所以在选择滑动变阻器的最大阻值时,应该与被控制的电阻阻值相对接近一些为好,或稍大一点.
  
  2分压电路特点
  
  
  如图2所示,这种接线方式为典型的滑动变阻器分压式接线方式.设电源的电动势为E,滑动变阻器的控制电阻阻值为R,滑动变阻器的远端阻值为R0,被控电阻与滑动变阻器的电阻将会形成并联的形式,并联电阻阻值为Rap,如果电源的内阻忽略不计,则在此电路中主要就是被控电阻R与滑动变阻器左端电阻Rap并联之后再与滑动变阻器右端的Rpbf进行串联.在负载R两端的电压值U将会根据滑动变阻器的不断变化分别出现不同的结果.
  
  当不接负载R时,输出电压U=E/R0*Rap,从计算式中可以看到,输出电压与滑动电阻Rap间是成正比的,这时输出电压的图形是线性的,当滑动变阻器的触点P在ab间进行移动时,在左边的电压是均匀发生变化 的,当P在滑动变阻器的最左端时,电压为零,当P在滑动变阻器的最右端时,电压为E,可以得到输出电压的变化范围就是0-E.
  
  当滑动变阻器与被控电阻进行连接时,P点左侧的电路整体等效电阻将会减小,滑动变阻器右边的串联部分得到的电压将会比原来降低.当被控电阻阻值非常小时,如果P位置确定,滑动变阻器的左侧部分分压值将会更小.
  
  当滑动变阻器的阻值接近被控电阻,即Rap与R0非常接近时,R两侧的电压值U将会迅速增大,如果滑动变阻器控制难度大,将会导致电压的调节受到一定的限制.当P在左半部分时,R两侧的电压会一直持续在一个相对较小的范围内变化,这时,滑动变阻器对电压的实际调节作用就已经非常不明显了.
  
  如果在滑动变阻器在电路中采用分压式的接线方式时,滑动变阻器的最大阻值应该大大小于被控电阻R的阻值,如果滑动变阻器的最大阻值R0与被控电阻的阻值比值越大时,滑动变阻器的调节作用就会更差.但也并非是R0的阻值越小越好,因为如果阻值过小,通过它的电流将会极大地大于R上的电流,则滑动变阻器承担着过多的电能损耗,当然是不希望看到的.
  
  3选择正确的接线方式
  
  3.1两种接线方式对比
  
  任何一个滑动变阻器连接到电路中时,都会产生一定的电能消耗,只是针对不同的接线电路中消耗的功率有所不同.在限流接线法电路中,总电流I=IR=Iap,在分压电路中的总电流值I=IR Iap.所以分压式的电路电流会相对大一些,输出功率也会大一些,额外消耗功率大.通过滑动变阻器的分压法与限流法都能够对电路的负载进行电流、电压调节,只是在不同的条件下,效果会有所不同,在实际的应用中,要结合实际情况选择不同的接线方式,一般来讲优先使用限流法接线方式.
  
  3.2选择限流接线方式的情况
  
  第一,在电路中的负载电阻阻值R小于滑动变阻器的总体电阻阻值R0,或者二者数值差不多,电压与电流的调节是在中间限值,而不需要从零开始调节的;
  
  第二,在一些使用分压法无法进行调节的电路中.电源的放电电流太小,或者滑动变阻器的额定电流值太低,都需要采用限流法进行接线;
  
  第三,如果在一些电路中,滑动变阻器的阻值与被控电阻的阻值方面都能够满足两种接线方式,而且电压与电流的调节并没有特殊从零开始调节时,则是可以选择两种接线方式中的一种均可,本文建议优先使用限流法来进行接线,因为在此电路中,消耗的电能相对会少一些.
  
  3.3选择分压接线方式的情况
  
  第一,当电路中的被控电阻的阻值与滑动变阻器的总阻值比值较大时;
  
  例题某电压表的内阻在20 kΩ~50 kΩ之间.现要测量其内阻,实验室提供下列可选用的器材:待测电压表V(量程3 V) ;电流表A1(量程200 μA) ;电流表A2( 量程5 mA ) ;电流表A3(量程0.6 A);滑动变阻器R(最大阻值1 kΩ);电源E (4 V) ;开关S;导线若干.
  
  (1)所提供的电流表中,应选用(填写字母代号);(2) 为了尽量减小误差, 要求测多组数据,试画出符合要求的电路图.
  
  分析(1) 电路中的最大电流值Imax=E/RV=0.2 mA(RV应将20 kΩ代入) ,故电流表应选A1.
  
  (2)由于滑动变阻器的阻值R远远小于电压表的内阻RV,且要求测多组数据,故采用变阻器的分压连接方式,实验电路图如图3所示.
  
  若变阻器连接成限流电路,由于RRV ,实验测量的IV、UV几乎不随R的变化而改变, 很难测出几组明显不同的值, 更谈不上尽量减小误差.
  
  第二,在特定的电路中有对电流进行特定要求时,或者对电压的调节有一定的要求,要求调节时,能够实现连续从零调节,此时需要选择分压法接线方式;
  
  第三,在实际的实验中,一些仪器的量程较小时,电流表对于允许最大的电流值相对较小,在采用限流法进行接线时,不会起到明显的效果,无论调节度如何,电路中的电压与电流都会超过仪表的最大量程或者是元件能够承受的最大电流或电压值.为了确保仪表工作正常、元件在电路中不受损坏,所以需要采用滑动变阻器的分压法进行接线;
  
  第四,在伏安特定曲线实验中,如果使用到的滑动变阻器数值相对小于被控电阻,这时采用限流法将会出现如下结果,无论是滑动变阻器的指针从左移动到右端,还是细小调节,在被控电阻上的电流变化都非常小,不利于准确测量或形成图象,所以这时也应该采取分压法接线方式.
  
  结论在对滑动变阻器在电路中的接线方式选择时,需要对电路的要求进行充分考虑.无论如何,在每一种电路中,安全肯定是首要因素,必须要确保电路的安全,才能够进行随后的实验,这项原则必须遵守.本文对分压法接线方式与限流电路进行分别描述,限流接线法简单,但需要控制电路的电路不得超过额定电流值,同时要确保电路中的可调电压与电流能够在一定的范围内变化.对于仪器的量程与滑动变阻器的阻值方面应该重点查看.无论是限流法还是分压法接线电路,都需要结合实际电路情况与仪器、线路要求等多方面的信息共同确定.随着现代教学方式不断完善,学生将会通过多种方式对滑动变阻器的接线方式进行深化了解,更好地在教育考察中展现最恰当的运算与思路.
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