李维兵
(南通高等师范学校 江苏 南通 226100)
电学实验是每年高考实验考查的重点,其中供电电路中限流式和分压式(图1)的选择一直困扰着学生,致使许多学生在考试时失分严重.因此,作为物理教学工作者,我们应该积极钻研,探讨影响供电电路选择的因素,找出解决途径,帮助学生攻克这一难关.
图1
笔者曾见过一篇题为《伏安法的电路设计》[1]的论文,论文的作者对供电电路限流式和分压式的选择做了总结,他仅采用了待测电阻Rx与滑动变阻器R滑的比较来选择电路,方法如下:
(1)当R滑≫Rx时(通常情况下,R滑>10Rx)用限流式.
用分压式.
笔者在电学实验教学的过程中发现,文献[1]作者对供电电路所总结的三点,在具体解题过程中并不都适用,仅采用待测电阻Rx与滑动变阻器R滑的大小比较来选择电路具有一定的片面性.下面对此进行探讨.
(1)举例说明
【例题】用伏安法测某金属的电阻(约40 Ω).已知电源电动势为6 V,内电阻约为0.05 Ω;电流表量程为50 mA,内电阻为10 Ω;电压表量程为3 V,内电阻为6 kΩ;滑动变阻器阻值为0~200 Ω.请设计一个实验方案并画出电路图.
解析:按文献[1]作者思路解,因为
假设限流式:估算最小电流
其待测电阻最小电压
Umin=IminRx=1 V
电流和电压均没有超过量程,应该接限流式.
假设分压式:利用欧姆定律可以估算出滑动变阻器的滑片移到不同的位置时,电流表、电压表所对应的值分别为
(1)
U=IR滑
(2)
数据分析计算如表1.
表1
从上面两种方式分析可以看出:选用限流式时,电流表的范围大约在24 ~50 mA之间,电压表大约在1~2 V之间;而选用分压式时,由表格中的估算可以看出,电流表范围在0~50 mA,电压表范围在0~2 V之间.不难发现,采用分压式时,电表读数误差更小,故分压式更合理.因此在限流式和分压式电路的选择上,并不是仅仅采用待测电阻Rx与滑动变阻器R滑进行简单比较就能下定论的.
实际上,在伏安法测电阻的实验中,除了滑动变阻器会对供电电路的选择有影响外,不同的电源、不同量程的电压表、电流表也会对供电电路的选择有影响.
(2)不同的电源对供电电路选择的影响
如上面的例题,设其他条件均不改变,将电源电动势改为3 V,请设计电路.
假设限流式: 估算最小电流
其待测电阻最小电压
Umin=IminRx=0.48 V
电流和电压均没有超过量程,而且当电流表满偏电流
Imax=50 mA
其待测电阻的最大电压
Umax=ImaxRx=2.4 V
假设分压式:利用上面(1)、(2)两式可以估算待测电阻的电流和电压.
数据分析计算如表2.
表2
从上面两种方式分析可以看出:选用限流式时,电流表范围在12 ~50 mA之间,电压表的范围在0.48~2.4 V之间;而选用分压式时,电流表范围大约在0~50 mA,电压表的范围大约在0~2 V,且滑动变阻器从零滑到140 Ω时,电压仅在1 V以内变化,故此时选限流式更好.
再如,设其他条件均不改变,将电源电动势改为12 V,采用限流式,估算最小电流
接近满偏,可知只能采用分压式.可见,选择不同的电源会影响供电电路的选择.
(3)不同量程的电表对供电电路选择的影响
如上述例题,设其他条件均不改变,将电流表量程改为100 mA,电压表量程改为6 V,请设计电路.
假设限流式:估算最小电流
其待测电阻最小电压
Umin=IminRx=1 V
当电流表满偏电流
Imax=100 mA
其待测电阻的最大电压
Umax=ImaxRx=4 V
其滑动变阻器此时电阻
R滑=0 Ω
假设分压式:电流和电压的变化如表1所示,从表1中可以看出,滑动变阻器的电阻R滑从0~180 Ω间,电压的范围基本集中在0~3 V之间,大约为满偏的一半.
相比之下,此时选限流式更为合理.可见不同量程的电表会影响供电电路的选择.
由此可见,在电学实验设计电路的过程中,供电电路的选择受到滑动变阻器、电源、电压表、电流表等诸多因素的影响.因此,实验设计灵活多变、难度大.虽然我们无法下定论来简单的判断,但可以通过估测判断的方法,来解决这一难题.该过程分三步走,第一步根据待测电阻的大小估测电流表、电压表的范围来选合适的电表;第二步假设限流式,估算出电压、电流的范围,再假设分压式,设滑动变阻器滑到一些位置(如表1所示),估算出电压、电流的范围;第三步对上述估算进行比较,哪一种估算出来的电表的范围与所选用的电表的量程更符合,就应该选哪一种连接方式.
总之,供电电路的选择是灵活多变的,仅通过Rx与R滑的比较来选择供电电路是不行的.我们只有估算判断比较后,才能选出最合理的方式.
参考文献
1 赵金平,伏安法的电路设计.中学物理教与学.2009(1):18