简易数字化限流和分压电路演示装置

李展华

摘   要：介绍了“限流和分压电路演示装置”的创新点、制作流程和主要用途，该教具与数字化手段相结合，测量精确、读数快捷、功能丰富、实用性强，有较高的推广价值。

关键词：限流;分压;数字化

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2019）5-0051-3

限流和分压电路是中学物理电学中的基本电路形式，是中考和高考的重点考查内容。学生在处理限流和分压电路的相关问题时，出错率很高。教师讲解时往往围绕这两种电路中电流和电压的变化规律，用大量的理论推导和计算试图帮助学生突破这一难点，但效果往往不如人意。究其原因，初学时学生对这两种电路的结构不甚清楚，尤其是分压电路中滑动变阻器处的串并联情况“朦朦胧胧”，在分析电路中电流和电压变化规律时思路较为混乱。笔者制作一个“限流和分压电路的演示装置”，帮助学生轻松化解了这一难点。

1    教具介绍

1.1    教具装置图

图1为教具实物图，图2是相应的电路图。

1.2    教具创新点

①设计直观简洁，线路清晰，便于观察。

②操作方便，效果明显。限流和分压融合一起，S2断开时为限流电路，S2闭合时为分压电路，通过对比让学生认清两种电路结构的不同之处。

③电流、电压数字化，性能稳定。可与数字技术、传感器相结合，使电路中各部分电流、电压数字化、实时化，便于发现规律。

④电表拆除、安装方便，待测元件或变阻器更换方便。

⑤功能丰富。可根据不同的实验目的，通过组合改变电路局部结构，进行探究。

2    制作材料

①80 cm×60 cm复合木板一块，塑料底座两个，3 cm长螺丝钉（直径4 mm）20个，图钉30枚;

②胜利数字万用表1个（型号：VC890C+）、伊莱科数字万用表3个（型号：EM33D）;

③最大阻值分别为5 Ω、20 Ω、50 Ω的滑动变阻器各一个;

④规格为3.8 V、0.3 A的小灯泡两个;

⑤电池盒1个、干电池4节，或学生电源（型号：J1202）;

⑥开关两个、导线若干、剪刀一把、剥皮钳一把;

⑦刻度尺1把、记号笔1支、小型电钻1个、“一”字和“十”字螺丝刀各一把。

3    制作过程

3.1    教具面板的设计与制作

第1步：按照图2中的电路图对复合板进行布图设计，确定每个元件的具体位置及螺丝孔的准确位置，用电钻打出需要的孔;

第2步：将每个元件放在面板上相应的位置处，再用螺丝钉将其固定牢固;

第3步：用剪刀裁剪出各处所需合适长度的导线，再用剥皮钳将每段导线两端的绝缘胶皮去掉;

第4步：用处理好的导线按图2要求连接电路。

3.2    调试与美化

第1步：闭合开关，移动滑片，检查电路是否正常工作，性能是否稳定;

第2步：对导线布局进一步规范处理，线条横平竖直，拐角处90度直角干净利索，确保美观大方;

第3步：选择合适的字体、字号，将该装置的名字“限流和分压电路演示装置”打印出来，粘贴于面板右上角;

第4步：将两个塑料底座用螺丝钉固定于复合板下面。装置制作完成，如图1所示。

4    用途展示

4.1    演示限流接法时电流流向及变化规律

（1）方案1

将图2中的开关S2断开，呈现限流电路。闭合开关S1，将滑片从最左边缓慢移至最右边，观察灯泡的发光情况，记录电流表1、电流表2和电压表的读数变化。对数据进行分析，形成结论。

（2）方案2

也可修正教具中的器件布局，按图3所示电路进行探究。闭合开关S1，将滑片从最左边缓慢移至最右边，观察4个电表读数的变化。这个演示更能说明，限流接法时滑动变阻器接入电路的有效电阻是滑片右侧Pb部分。

4.2    探究分压接法时的电路结构

4.3    限流和分压电路的调压范围对比

将图2中的开关S2断开，呈现限流电路。闭合S1，将滑片从最左边缓慢移至最右边，发现电压表从某一不为零的数值开始增大，变化范围为0.56 V～3.06 V。将图2中的开关S2闭合，呈现分压电路。闭合S1，将滑片从最左边缓慢移至最右边，发现电压表从近似零开始逐渐增大，变化范围为0.02 V～2.74 V。显然，分压电路可以使待测元件两端电压从近似零开始，且调压范围较大。同时也发现，两种接法灯泡两端电压的最大值并不相同，这一点可启发学生去思考原因。

4.4    分压接法时总阻值不同的滑动变阻器对负载调压效果的对比

将图2中的开关S2闭合，呈现分压电路，分别将最大阻值为5 Ω、20 Ω、50 Ω的滑动变阻器接入电路。闭合开关S1，将滑片从最左边缓慢移至最右边，观察灯泡发光情况和电压表示数变化，对比体会调压效果（效果是指调压的便捷性和精确性）。

实验发现：使用总阻值50 Ω的滑动变阻器时，右移滑片过程中，开始时灯泡两端电压增长非常缓慢，到某一值時增长幅度骤然变大。想把电压调到某一确定数值较为困难。

限流和分压时，调节滑片使灯泡两端电压取相同数值，记下干路电流I1，比较两种情况下电路消耗的总功率。也可从理论上进行分析。

4.5    限流电路和分压电路的能耗对比

限流和分压时，调节滑片使灯泡两端电压取相同数值，记下干路电流I1，比较两种情况下电路消耗的总功率。也可从理论上进行分析。

5    功能拓展

该演示装置还可用于测绘某电阻（如灯泡）的伏安特性曲线、伏安法测电阻、测电池的电动势和内阻等实验，以及这些基本实验的变式拓展实验，如探究灯泡功率P与电压U的关系、探究非纯电阻电路中电功和电热的关系。以上电学实验也可与朗威DIS系统相融合，借助电流传感器、电压传感器、数据采集系统和处理系统，使实验过程、数据获取、数据处理及结论得出更加快捷高效。

（栏目编辑    王柏庐）