限流和分壓電路多功能演示儀

程柏

(新疆兵團第七師高級中學 新疆 伊犁 833200)

1 教具裝置介紹

如圖1所示，在長107 cm、寬58 cm的木板右側畫出限流、分壓電路圖，左側對應地將穩壓電源(8 V)、開關、數字電流表、電壓表，滑動變阻器5 Ω,20 Ω,50 Ω，小燈泡(9 V,0.37 A),紅色發光二極管及串聯的定值電阻(225 Ω)，自制定值電阻62 Ω固定在木板上.

圖1 教具裝置圖

2 電路設計

(1)將限流、分壓電路整合在一起：如圖2所示，當S2斷開時為限流電路，S2閉合時為分壓電路，通過對比讓學生認清兩種電路結構不同.

(2)功能拓展：使得負載元件可以選擇定值電阻、小燈泡、發光二極管；滑動變阻器可選擇5 Ω,20 Ω,50 Ω 3種量程.

圖2 限流、分壓電路整合電路圖

圖3為實驗裝置電路圖.開關S1斷開，不接觸1,2,3觸點，即采用滑動變阻器限流式接法：對應開關S4接觸點1時，接入滑動變阻器50 Ω；對應開關S4接觸點2時，接入滑動變阻器20 Ω；對應開關S4接觸點3時，接入滑動變阻器5 Ω.

圖3 實驗裝置電路圖

當開關S1閉合，則采用滑動變阻器分壓式接法：S1,S4閉合于對應的1處，采用滑動變阻器50 Ω分壓接法；S1,S4閉合于對應觸點2時，采用滑動變阻器20 Ω分壓接法；S1,S4閉合于對應的3處，采用滑動變阻器5 Ω分壓接法.

3 功能用途展示

3.1 演示限流接法時 電流電壓的變化規律

將電路圖圖3中的開關S1斷開;開關S2閉合至觸點2，接入燈泡負載;閉合開關S3至觸點1；閉合開關S3,閉合開關S4至觸點2，接入滑動變阻器20 Ω；呈現限流電路如圖4所示.

圖4 限流電路圖

滑片先置于最左端，閉合開關S,將滑片從最左邊緩慢地移動至最右邊，觀察燈泡的發光情況，記錄電流表A2,A3和電壓表V2,V3的數據變化，發現I2=I3且最小電流不為零；U1=U2+U3串聯分壓的規律.

3.2 探究分壓接法的電路結構

將圖3中的開關S1閉合至觸點2;開關S2閉合至觸點2，接入燈泡負載;閉合開關S3至觸點1；閉合開關S4至觸點2，接入滑動變阻器20 Ω；呈現分壓電路如圖5所示.

圖5 分壓電路圖

閉合開關S,將滑片從最左邊緩慢地移動至最右邊，記錄各電表的示數，容易觀察到：

(1)當滑片置于最左端a時，電流表A2示數、電壓表V2示數幾乎為零，即通過燈泡的電流和兩端的電壓均幾乎為零；

(2)滑片P在由a到b的過程中，電流表A2,A3示數均在增加，且恒有電流表A3示數等于電流表A1與電流表A2示數之和，電壓表V2,V3的示數恒等于電壓表V1的示數，即分壓接法電路的結構為燈泡和滑動變阻器aP部分并聯，再與Pb部分串聯.

3.3 限流和分壓電路的調壓范圍對比

實驗發現：限流接法，燈泡電壓V2調節范圍在2.75～6.71 V；而采用分壓接法，燈泡電壓V3調節范圍在0.30～6.40 V；顯然分壓式接法，對負載燈泡電壓調節范圍要大.

3.4 分壓式接法選擇總阻值不同的滑動變阻器對負載電阻調壓效果比較

先將圖3中開關S2閉合至觸點3，接入定值電阻62 Ω，閉合開關S3至觸點1.分別接入滑動變阻器50 Ω,20 Ω,5 Ω；將滑片從最左邊緩慢移動至最右邊，觀察電阻負載中電流、電壓的變化，對比體會調壓的便捷性和精確性.

實驗發現：使用總阻值為50 Ω的滑動變阻器時，右移滑片過程中，開始定值電阻兩端電壓增加很緩慢，但增大到某一值時，其增長的幅度驟然變大，想把電壓調節某一確定值就很困難，而換做滑動變阻器5 Ω，電壓隨RaP變化均勻，呈現較好的線性關系.

如圖6所示，教師可以從理論上說明，滑動變阻器總阻值越小于負載電阻R的值，移動滑片時負載電壓變化的線性程度越好、越方便讀數.

圖6 總阻值不同滑動變阻器對負載電阻調壓效果理論說明圖

3.5 限流電路和分壓電路的能耗對比

對燈泡選擇滑動變阻器20 Ω，如圖7(a)所示：采用限流電路，在調節滑動變阻器的滑片使得燈泡兩端電壓約為6.2 V情況下，記錄下干路電流表A3示數約為449 mA和路端電壓V1的示數為7.85 V；如圖7(b)所示：采用分壓電路，在調節滑動變阻器的滑片使得燈泡兩端電壓約為6.2 V情況下，記錄下干路電流表A3示數約為769 mA和路端電壓V1的示數為7.67 V；不難發現分壓式接法耗能更大，所以在兩種接法調節燈泡電壓都可行的情況下，優先考慮限流式接法，更方便，更節能.

(a)限流電路

(b)分壓電路

3.6 對動態電路的規律演示

(1)對于圖3限流式電路，當滑片向右滑動時，變阻器RPb阻值變小，實驗觀察到電流表A2,A3,電壓表V2示數在變大，而電壓表V1,V3示數變小；驗證了“串反并同”規律.

(2)將圖3中的開關S1閉合至觸點2;開關S2閉合至觸點3，接入定值電阻62 Ω;閉合開關S3至觸點1；閉合開關S4至觸點2，接入滑動變阻器20 Ω；呈現分壓電路如圖8所示.

圖8 動態電路規律演示電路圖

問：當把滑片從a向b移動時，各個電表如何變化？“串反并同”的規律還適用么？

設電路ab兩點間的總電阻為Rab,定值電阻記為R0，滑動變阻器總阻值記為R，由串并聯電路的性質可知

當RPa↓→Rab↓→I3↑→U內↑→U1↓；

由并聯分流可知：

當RaP↑→I2↑→U2↑=I2↑R0→U3↓=U1↓-U2↑；唯有電流表A1的示數變化不能確定.

這一生成的教育資源必將促進愛動腦筋的學生們去進一步思考.

3.7 功能拓展

該演示裝置還可以測繪線性元件定值電阻、非線性元件小燈泡、發光二極管的伏安特性曲線，伏安法測電阻，測電源電動勢和內阻等實驗，可謂是多功能演示器.

4 創新要點

(1)展示板大方穩固，線路直觀簡明，實物、電路圖一一對應，便于觀察、思考.

(2)操作方便，效果明顯.限流和分壓電路整合在一起，通過自制單刀多向開關，方便實現兩種電路結構和不同規格滑動變阻器以及負載元件的選擇.

(3)電流、電壓表數字化，能有效動態演示，便于記錄數據、發現規律.

(4)功能豐富，可根據不同的實驗目的，通過組合元件，改變電路結構，探究教學.

5 教育啟示

物理演示實驗的教育功能在于通過觀察感知活動形成物理知覺，通過自覺表象活動使物理知覺上升為物理表象，再通過發生認知沖突促進認知圖示的發展，由認知圖示產生物理的概念和規律.區別限流、分壓電路不同結構、不同規律、不同功能，就應當把電路“豎立起來”，在電路展板上顯化電路圖所對應的實驗裝置，演示限流結構和分壓結構之間的轉換，利用數字電表快速反應電路中各元件上的電壓、電流變化規律，使得理論背后的規律動態、活潑起來，直觀可視化，促進學生的科學思維和認知圖示的形成.