正文 第1章 電磁學實驗中儀器、器材的使用與操作(1)(1 / 3)

滑動變阻器的接法選擇

滑動變阻器具有多種用途和接線方式。滑動變阻器在電學實驗中使用頻率極高,是重要的電學儀器,是教學的重點。選擇何種方式將滑動變阻器接入電路具有較高的技巧性,學生不易掌握,也是教學的難點。

滑動變阻器有三種基本用途:(1)保護電路:選定滑片位置,使加在負載、電壓表、電流表等電學元件上的電壓以及流過它們和電源的電流在額定值以內;(2)調節、控製:改變滑片位置,使加在工作元件及工作電路上的電壓和流過它們的電流在額定值內變化;(3)變阻負載:作為能改變接入電路電阻的負載電阻往往兼具保護、調節作用。

滑動變阻器接入電路時有兩種基本接線方式:(1)接成限流器,(分成p、b間短路和斷路兩種接線方式);(2)接成分壓器。

滑動變阻器接入電路時應該接成限流電路還是接成分壓電路,這取決於多種因素的製約。江蘇揚州市第五中學陳金鵬老師對滑動變阻器接線方式的選擇依據作了介紹:

滑動變阻器作為負載電阻時總是接成限流電路。例如,用安培表和伏特表測定電池的電動勢和內電阻實驗中的滑動變阻器。又如,研究電源的輸出功率與外電路電阻關係實驗中的滑動變阻器,都作為負載電阻,都接成限流電路。

滑動變阻器在電路中主要起保護、調節作用時,應依據下述諸原則,以確定其具體的接線方式。

確保電路安全原則電路安全是電學實驗中必須考慮的第一位因素滑動變阻器必須接成適當電路,以確保流過電源、用電器、電表及變阻器本身的電流在各自的額定值以內。

為伏安法測量一個定值電阻阻值的實驗所需的器材實物圖。器材規格如下:

(1)待測電阻Rx(約100Ω)(2)直流毫安表(量程0-10mA,內阻50Ω)(3)直流電壓表(量程0-3V,內阻5KΩ)(4)直流電源(輸出電壓4V,內阻不計)(5)滑動變阻器(阻值範圍0-15Ω,允許最大電流1A)(6)電鍵一個,導線若幹條根據器材的規格和實驗要求,在本題的實物圖上連接。

分析與解若將滑動變阻器接成限流器,當接入電路電阻取最大值15Ω時,流過電路的電流為24mA,超過毫安表的量程,違反了電路安全原則,故變阻器一定要接成分壓器。值得注意的是,由ε=IR總,I=Ix+I2,R總=(15-R2)+R2(Rx+RA)R2+(Rx+RA)可求得,僅當R2≤5.7Ω時,流過毫安表的電流Ix≤10mA,電路才是安全的。

減小實驗誤差原則

實驗時應根據具體情況,選擇變阻器的合適接法,使實驗結果比較精確。

(1)使電流、電壓的調節範圍較大:變阻器的適當接法應使加在負載電阻上的電壓和流過的電流能在較大範圍內變化,以便多測幾組數據,取平均值,減小偶然誤差。

滑動變阻器的總電阻R0遠小於負載電阻R時,應接成式的分壓電路。設R=10R0,忽略電源內阻,若接成的限流電路,則電路中的最大電流、最小電流分別為:

Imax=ε/RImin=ε/(R+R0)=10ε/(11R)顯見,Imax=11Imin,電流的調節範圍很小。

若接成的分壓電路,則有Imax=ε/R,Imin=0①於是,電流的調節範圍較大。

滑動變阻器的總電阻R0遠大於負載電阻R時,兩種電路都有較大的調節範圍。設R0=10R,忽略電源內阻,接成限流器時。

Imax=ε/R,Iminε/(R+R0)=ε/11R,Imax=101Imin接成分壓電路時,結論仍為①式。

(2)使變阻器的有效調節範圍較大:當R0遠大於R時,接成限流電阻可使流過負載的電流有較大調節範圍,但變阻器滑片有效移動範圍較小,不能減小誤差。設R0=100R,忽略電源電阻,Imax、Imin分別為Imax=ε/RImin=ε/(R+R0)=ε/101R,Imax=101Imin用電流表測量電路電流時,電路中的最大電流Imax不能超過電流表量程。為便於討論,設兩者相等,為了使測量結果比較準確,電路中的電流應在0.2Imax-Imax之間變化,滑片P從右向左移動時,當變阻器接入電路電阻R1減小到等於4R時,即滑片p移至非常靠近a端,使a、p間距離比p、b間距離=4∶(100-4)=1∶24,電路中電流才增大到0.2Imax,此前滑片的移動是無效的,無效移動距離占總長的96%。滑片此後的移動是有效的,但有效移動距離僅占總長的4%,可見有效調節範圍很小。接成分壓電路則能消除弊端。

(3)使測量儀表有合適的量程:選擇變阻器的合適接法使測量儀表有合適量程係指,流過表的電流、加在表兩端的電壓既不能太大,也不能太小,太大則超過量程,損壞電表;太小則指針偏角太小,讀數誤差較大。

例2用伏安法測量一個電阻的阻值,備用儀器及元件有(1)待測電阻Rx,約25KΩ(2)直流電流表○A,量程0-300μA,內阻300Ω(3)直流電壓表○V,量程0-10V,內阻約為100KΩ(4)直流電源兩種:(ε1)一節幹電池,電動勢1.5V,內阻不計;(ε2)直流穩壓電源,輸出電壓15V(5)滑動變阻器R0,總電阻15KΩ(6)電鍵K,導線若幹試從以上所提供的儀器和元件中選擇合適的規格及適宜的線路,使被測電阻的測量結果達到盡可能高的精確度。繪出電路圖並標明所選儀器及元件的規格。