【电学设计型实验中“控制电路”的精要】直流电路电学实验

  近年来高考中的物理实验不乏新颖灵活,尤其是设计型实验,既源于教材,又高于教材,综合考查了学生灵活应用知识的能力,创造能力和实验能力。可以肯定的说,此类实验仍是今后高考考查的热点。笔者就电学设计型实验进行了一些有益的探索。电学设计型实验的主干:一是测量电路,主要是由电表与电阻构成;二是控制电路,主要是由滑动变阻器构成。其关键:一是实验原理,二是器材选取。就控制电路而言,器材选取是实验的关键因素,是学习和复习必须分清和重视的基本知识。�
  控制电路的重要元件是滑动变阻器。�
  滑动变阻器是通过改变电阻丝的长度来调节电阻值的一种变阻器,结构如图1所示。表面涂有绝缘漆的电阻丝密绕在绝缘管(瓷管或胶木管)上,电阻丝的两端分别接在绝缘管两端的接线柱A、B上。电阻丝与滑片接触的地方,绝缘漆已经被刮开,以保持滑片内侧触点与电阻丝连通。滑片P可沿金属杆左右滑动,金属杆两端装有两个接线柱C、D,无论选择C、D中的哪一个接线柱,效果相同,即C、D为等效电势点。�
  滑动变阻器的基本连接方式:(其中Rf为测量电路的负载,R0为滑动变阻器的最大值,U为“+”、“-”两点间的电势差)。�
  1.限流式接法:如图2甲所示,连接滑动变阻器的导线应接其同侧端或对角线端(图2)。��
  电路特点:电路简单,能耗少,但电流电压的调节范围较小:负载Rf 上的电压调节范围:Rf U/(Rf+R0)≤Uf≤U;Rf上的电流调节范围:U/(Rf+R0)≤If≤U/Rf。�
  滑动变阻器的选用:一般用于负载的电阻小于变阻器电阻值或与变阻器电阻值差不多时,用作控制电路。通常限流式接法选较大电阻值的滑动变阻器,这是减小实验误差的需要。�
  例1 用伏安法测量某电阻Rx的阻值,现在实验器材如下:�
  A.待测电阻R:范围在5~8Ω,额定功率1W;�
  B.电流表○A1:量程0~0.6A(内阻0.2Ω);�
  C.电流表○A2:量程0~3A(内阻0.05Ω);�
  D.电压表○V1:量程0~3V(内阻3kΩ);
  E.电压表○V2:量程0~15V(内阻15kΩ);�
  F.滑动变阻器R:0~100Ω;�
  G.蓄电池:电动势12V;�
  H.导线,电键。�
  为了准确地测量,并保证器材安全,电流表应选_____,电压表应选_____,并画出电路图。�
  解析 该题既要选择线路结构,又要选择仪器。先确定测量电路,额定电压Um=PRx=8≈2.8V,应选电压表○V1。额定电流 Im=PRx=15≈0.45A应选电流表○A1。由RARV=24.5Ω>Rx知,应选外接法。再确定控制电路。由R=100Ω>10Rx知,应选择限流方式电路,其电路图如图3所示。��
  2.分压式接法:(图4)如图乙所示,与滑片相连的电路和变阻丝并联分压,必须上接一端下接两端。�
  电路特点:电流电压的调节范围较大(可以从零起调):负载Rf上的电压调节范围:�
  0≤Uf≤U;�
  Rf上的电流调节范围:�
  0≤I≤U/Rf。��
  滑动变阻器的选用:①通常测量电路中(实验仪器――电表量程或待测电阻)的最大允许电流小于限流电路中的最小电流,需要用分压式;�
  ②当负载电阻远大于变阻器阻值(Rf≥R0),负载分压所得到的电压几乎与负载无关,仅由与负载相连的滑片的位置确定。�
  ③要求尽可能高的精度,并能测得多组数据是,(如校电表),必须用分压式。�
  例2 如图5所示为用伏安法测量一个定值电阻阻值的实验所需的器材实物图,器材规格如下:�
  (1)待测电阻Rx(约100Ω);�
  (2)直流毫安表(量程0~10mA,内阻50Ω);�
  (3)直流电压表(量程0~3V,内阻5kΩ);�
  (4)直流电源(输出电压4V,内阻不记);�
  (5)滑动变阻器(阻值范围0~15Ω,允许最大电流1A);�
  (6)电键1个,导线若干条。��
  根据器材的规格和实验要求,在本题的实物图上连线。�
  解析 该题中仪器已给定,只需选择线路结构。�
  解1:先确定测量电路,由R0=RARV=500Ω�Rx 知,应选外接法;再确定控制电路,由R=15Ω<Rx/2知,应选分压式电路;最后画出电路图如图6所示。实物连线如图7所示。���
  解2:测量电路Rx/RA=100/50=2,没达到内接要求,又因为RV/RA=5 000/100=50,所以电流表用外接。控制电路若用限流式电路,当开始使用最大阻值时电路中的最小电流Ii=E/(R+RA+Rx )=4/(100+15+50)≈0.022 4A=24mA,已超电流表量程,所以为保护器材,必须用分压式电路,且开始时触头滑到最右端,使流过电流表电流最小。�
  连线时应先连电源,开关,滑动变阻器两端,再连电流表电压表。�
  总之,滑动变阻器的电阻值仅由滑片位置(即滑片移动时的电阻值的长度)确定,可以连续改变电阻值,选用的变阻器电阻值越低,单位长度阻值就越小,滑片移动时引起的电阻值变化率就越小,使得电路控制也就越精细,越方便。因此,在实验许可的范围,应尽量选阻值低的变阻器。
  (栏目编辑王柏庐)
  
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