物理问题

近几年的高考物理实验题中,反复考查了滑动变阻器的两种连接方式——分压式和限流式。虽然反复检查,但很多学生还是会出错。为什么会出现这种现象?主要原因是学生不知道两种连接方式的特点和作用,遇到具体问题不知道选择哪种连接方式。笔者通过比较限流电路和分压电路的特点,希望能与同仁探讨如何选择电路连接方式。

第一,限流电路

图1

设电源电动势为,不考虑内阻,滑动变阻器的最大阻值为R,负载电阻为Rf。如图1所示,电路中的滑动变阻器起到限流的作用。负载Rf的电压Uf可以从RF/(R+RF)变化到。限流电路对通过负载RF的电流强度的控制是什么?根据欧姆定律I =/(Rf+RPB)和If = I,当R > RF时,If主要取决于R,通过调整R的大小可以明显改变If,当R < RF时,If主要取决于Rf,特别是当R < < RF时,无论如何改变R的大小,If都不会明显改变。

二、分压电路

图2

在图2所示的电路中,滑动变阻器充当分压器,滑块P从A端滑动到B端,负载Rf上的电压从0变化到0。显然,当滑动变阻器用作分压器时,调节负载上电压的范围要比限制电流时大。分压电路对负载Rf上电流强度的控制呢?不考虑R的大小,通过调整滑动触点P的位置,If可以从零变化到/RF,即If有明显的变化。

三、如何选择连接方式

在相同负载电流要求下,限流电路中的主电流小于分压电路中的主电流,因此限流电路消耗的总功率小,电源消耗的功率也小,说明限流电路有其突出的节能优势。因此,从降低功率损耗的角度出发,滑动变阻器通常应采用限流方式连接。但是,在以下三种情况下,必须选择分压器连接模式。

(1)当电器的阻值远大于滑动变阻器的最大阻值,且实验要求的电压变化范围较大(或需要测量多组实验数据)时,必须选用分压电路。

例1(全国高考1997)电压表的内阻在20kΩ到50kΩ之间。现在,要测量其内阻,实验室提供以下可选设备:待测电压表V(量程3v);电流表A1(量程200μa);安培计A2(测量范围5mA);电流表A3(量程0.6a);滑动变阻器r(最大电阻1kω);电源(4V);开关s;有几根电线。

(1)提供的电表,应选择_ _ _ _ _(填写字母代码);

(2)为了尽量减少误差,要求测量多组数据,尽量画出符合要求的电路图。

(1)电路中最大电流值IMAX =/RV = 0.2 Ma的分析(RV要用20kΩ代替),所以电流表应该是A1。

图3

(2)由于滑动变阻器的电阻值R远小于电压表的内阻RV,需要测量多组数据,所以采用变阻器的分压连接,实验电路图如图3所示。如果把变阻器接成限流电路,由于R < < RV,实验中测得的IV和UV几乎不随R的变化而变化,很难测出几组明显不同的值,更不用说把误差降到最低了。

(2)如果使用限流电路,而电路中的最小电流仍超过电器的额定电流,则必须选择分压电路。

例2(1994全国高考)伏安法测一个恒定电阻的设备规格如下:待测电阻Rx(约100ω);直流电流表(量程0 ~ 10毫安,内阻50ω);DC电压表(量程0 ~ 3V,内阻5kω);DC电源(输出电压4V,不含内阻);滑动变阻器(0 ~ 15ω,最大允许电流1A);有1个开关和几根线。根据设备规格和实验要求,画出实验电路图。

如果滑动变阻器通过限流连接,即使变阻器被调节到最大电阻,也要分析通过电路的电流。

imin =/(R+RA+Rx)= 24mA > 10mA,

还是大于直流电流表的最大量程,所以滑动变阻器要分压连接。

因为R0≈= 500ω> Rx,所以电流表用于外接。实验电路如图4所示。

(3)当要求回路中一部分电路的电流或电压能从零连续变化时,必须选择分压电路。

例3(全国高考1993)将量程为100μ α的电流表改装成量程为1mA的电流表,并在改装后的电流表上串联一个标准电流表进行校准(校验)。要求通过电流表的电流能按时从零到1 mA连续可调。试着根据实验要求画出电路图。

图4

图5

精确分析时,要求流过电流表的电流能从零到1mA连续可调,所以实验电路只能选择分压电路,否则电流表读数不能从零连续可调,电路如图5所示。

例4(1991上海高考)一盏电阻为4R的电灯,试设计一个电路,使灯两端的电压调节范围尽可能大。可用的设备有:电动势为R/5,内阻为的电源;最大电阻为r的滑动变阻器;1开关和几根电线。

(1)画实验电路图;

(2)灯泡两端电压的可调范围是多少?

分析(1)要求灯两端的电压调节范围尽可能大。只有将滑动变阻器接入分压电路,灯两端的电压才能从零开始有较大的调节范围。如果采用限流连接方式,灯两端最小电压大于零,调压范围更小。实验电路如图6所示。

图6

(2)当滑块P滑动到滑动变阻器的A端时,URF = 0;当滑块P滑动到B端时,有

I=/((R 4R/(R+4R))+(R/5))=/R,

URf=I (R 4R/(R+4R))=(/R)×(4R/5),

那就是URF = (4/5),

因此,灯泡两端的电压可以在0 ~ 4/5的范围内调节。

可见,掌握分压限流接线的选择原则和电路特点,解决滑动变阻器的接线问题是相当方便的。