電學實驗中的滑動變阻器
2008-12-31 00:00:00袁振卓
物理教學探討 2008年20期
在電學試驗中，經常用滑動變阻器對電壓、電流進行調控。滑動變阻器在電路中通常有兩種連接方法，下面通過實例詳細的分析其連接原理。
1 滑動變阻器的限流接法
如圖1所示電路圖，電路中滑動變阻器起限流作用，負載R0的電壓調節范圍約為R0R0+RE-E。在合上開關前，要使滑動變阻器所使用的阻值最大，因此在閉合開關前一定要檢查滑動變阻器的滑動觸頭P是否在最大值的一端（圖1中應在a端）
2 滑動變阻器的分壓接法
如圖2所示電路圖，電路中滑動變阻器起分壓作用，當滑動變阻器的滑動觸頭P自a端向b端滑動時，負載上電壓的范圍約為0-E，顯然比滑動變阻器限流接法時，電壓調節范圍大，合上開關前滑片應在a端，以使負載R0上的電壓和電流最小。
3 滑動變阻器的選擇方法
通常情況下根據使用的方便性，滑動變阻器以限流接法為主，但在下列情況下，必須選擇滑動變阻器的分壓接法。
3.1 題目所提供的實驗儀器，電表量程不夠，即電壓表或電流表量程太小。
例1 用伏安法測金屬的電阻RX（約為5Ω）的值，已知電流表內阻為1Ω，量程為0.6A，電壓表內阻為幾千歐，量程為3V，電源電動勢為9V，滑動變阻器的阻值為0-6Ω，額定電流為5A，請設計出測量RX的電路原理圖。
解析 因為RVRX﹥RXRA，所以電流表應采用外接法。若滑動變阻器用限流接法，則負載RX的電壓變化范圍為4511-9V，顯然所提供的電壓表量程不夠，應采用分壓接法，電路如圖3所示。
3.2 滑動變阻器的阻值遠小于被測電阻或電路中串聯的其他電阻阻值。
在滑動變阻器的阻值遠小于被測電阻或電路中串聯的其他電阻阻值時，若采用串聯限流接法，即使滑動變阻器的滑動頭從一端滑至另一端，電路中電流變化仍極小，此時電路應采用分壓接法。
例2 某電壓表的內阻在20KΩ 50KΩ之間，現要測量其內阻，實驗室提供下列可選用的器材：
待測電壓表V（量程3V）
電流表A1（量程200μA）
電流表A2（量程5mA）
電流表A3（量程0.6A）
滑動變阻器R（最大阻值1KΩ）
電源E（電動勢4V）
開關K
⑴所提供的電流表中，應選用_____（填寫字母代號）
⑵為了盡量減小誤差，要求測多組數據。試在圖4方框中畫出符合要求的實驗電路圖。
解析 ⑴因電壓表的內阻在20KΩ 50KΩ之間電源電動勢為4V，所以經過電壓表最大電流為200μA，應選用電流表A1。
⑵滑動變阻器如果采用限流接法，則電壓調節范圍為R′ER′+R E，其中電壓表內阻R′值很大，這樣使得R′ER′+R接近于E，調節范圍太小，實驗無法完成，因此滑動變阻器應采用并聯分壓接法，如圖5所示。
3.3 要求回答中某部分電路的電壓從零開始連續變化。
例3 在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實驗中，使用的小燈泡“6V，3W”，其他供選擇的器材有：電壓表V（量程6V，內阻20KΩ）；電流表 （量程3A，內阻0.2Ω ）；電流表A2（量程0.6A，內阻1Ω）；變阻器R1（0-1000Ω，0.5A）；變阻器R2（0-20Ω，2A）；學生電源E（6-8V）；開關S及導線若干。
⑴實驗中要求在電壓表0-6V范圍內讀取并記錄下12組左右不同的電壓值U和對應的電流值I，以便作出伏安特性曲線，則在上述器材中，電流表應選_______，變阻器應選______。
⑵該實驗為什么必須采用電流表外接法？
⑶畫出此實驗的原理圖。
解析 因為使用的小燈泡為“6V，3W”，根據公式P=UI得：I=PU=3W6V=0.5A，所以應選用電流表A2（量程0.6A，內阻1Ω）。由公式P=U2R得：R=U2P=623Ω=12Ω。因為RVRX﹥RXRA，所以電流表應采用外接法。實驗中要求在電壓表0-6V范圍內讀取并記錄下12組左右不同的電壓值U和對應的電流值I，所以應采用分壓法，變阻器應為變阻器R2（0-20Ω，2A）。此實驗的原理圖如圖6所示。
3.4 要求對改裝后的電壓表進行校準時，應把滑動變阻器接成分壓電路
例4 將滿偏電流Ig=300μA、內阻未知的電流表G改裝成電壓表并進行核對。
⑴利用圖7所示的電路測量電流表G的內阻（圖中電源的電動勢為4V）：先閉合s1，調節R，使電流表指針偏轉到滿刻度；再閉合s2，保持R不變，調節R′，使電流表指針偏轉到滿刻度的23，讀出此時R′的阻值為200Ω，則電流表內阻的測量值Rg=_____Ω。
⑵將該表改裝成量程為3V的電壓表，需（填“串聯”或“并聯”）阻值為R0=_____Ω的電阻。
⑶把改裝好的電壓表與標準電壓表進行核對，畫出實驗電路圖。
解析 ⑴設電流表滿偏時，示數為I，根據并聯電路的特點有：2I3#8226;Rg=I3#8226;R′，所以Rg=100Ω。
⑵把電流表改裝為電壓表需串聯電阻，根據串聯電路特點：IgRg=U-IgR0，代入數值得：R0=9900Ω。
⑶校準電表要求是對改裝好的電壓表量程程范圍內的任意電壓進行校準，電壓調節范圍應大且從零開始慢慢的增大，因此采用分壓接法，如圖8所示。
