關(guān)于滑動變阻器分壓電路規(guī)律的討論與思考

摘?要：分壓電路是物理實(shí)驗(yàn)中常用的典型電路，也是電路問題中的重點(diǎn)內(nèi)容，但電路分析較為繁雜，學(xué)生不易弄懂弄通，因而成為教學(xué)中的難點(diǎn).本文主要從滑動變阻器分壓電路中電阻、電流、電壓的變化規(guī)律和電路的安全性方面入手，結(jié)合具體的電路參數(shù)，進(jìn)行了定量討論.

關(guān)鍵詞：分壓電路;?變化規(guī)律;?電路參數(shù);?定量討論

作者簡介：戴小民（1979-），男，湖南岳陽人，碩士，中學(xué)高級教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)與管理.

在高中物理電路學(xué)習(xí)中，經(jīng)常碰到分壓電路，其中用滑動變阻器接成分壓器來調(diào)節(jié)用電器兩端電壓的分壓電路在實(shí)際中應(yīng)用得較多，是電路問題的重點(diǎn)內(nèi)容.特別是關(guān)于電路的動態(tài)變化分析和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時器材的選定，分壓電路中的電阻、電流、電壓和安全參數(shù)的討論就顯得極其重要，但因?yàn)榉治鲞^程較為繁雜，學(xué)生不易弄懂弄通，因而成為教學(xué)中的難點(diǎn).如何突破這一難點(diǎn)，本文從分壓電路中電阻、電流、電壓的變化規(guī)律和電路的安全性入手，結(jié)合具體的電路參數(shù)，用數(shù)學(xué)推理和圖像表示的方法進(jìn)行了分析討論，得出一定的規(guī)律與結(jié)論，供讀者參考.

1?分壓電路中的電阻變化規(guī)律

如圖1所示分壓電路中，滑動變阻器可以視為由兩段電阻構(gòu)成，其中一段與負(fù)載（定值）RL并聯(lián)（簡稱并聯(lián)段），另一段與并聯(lián)部分串聯(lián)（簡稱串聯(lián)段）;設(shè)滑動變阻器的總電阻為R，滑動變阻器與負(fù)載RL并聯(lián)的那一段電阻為Rx，則分壓器的總電阻為：

R總=R-Rx+RxRLRx+RL=R-11Rx+RLR2x

由上面的計(jì)算式可以看出，當(dāng)Rx減小時，R總增大;當(dāng)Rx增大時，R總減小.

規(guī)律1?分壓器總電阻R總的變化與并聯(lián)段電阻Rx的變化情況相反，與串聯(lián)段電阻（R-Rx）的變化相同.

2?分壓電路中的電流變化規(guī)律

在圖1所示分壓電路中，設(shè)電源電動勢為E，內(nèi)阻為r，RL是定值電阻，R是滑動變阻器，閉合開關(guān)S后，當(dāng)滑片P由a端向b端滑動時，兩支路電流表的示數(shù)怎樣變化？

根據(jù)閉合電路歐姆定律和并聯(lián)分流規(guī)律，通過電流表A1的電流強(qiáng)度為：

I1=RxRL+Rx·I=RxRL+Rx·ERx·RLRx+RL+R-Rx+r

=RxE-R2x+R+rRx+R+rRL

=ER+rRLRx-Rx+R+r?，其中Rx?∈[0，R]，令分母為f（Rx）=R+rRLRx-Rx+R+r，從上式可以看出，隨著Rx的增加，f（Rx）單調(diào)遞減，I1會增加，即通過電流表A1的電流強(qiáng)度增大.

同理，通過電流表A2的電流強(qiáng)度為：

I2=RLRL+Rx·I=RLRL+Rx·ERx·RLRx+RL+R-Rx+r

=RLE-R2x+R+rRx+R+rRL，Rx?∈?[0，R]

在上式中，分子為恒量，分母為關(guān)于Rx的二次函數(shù)f（Rx），且二次項(xiàng)的系數(shù)小于零，則圖像開口向下，如圖2所示.對電流表A2的示數(shù)討論如下：當(dāng)R≤（R+r）/2?，?即R≤?r時，隨著Rx的增大，f（Rx）一直增大，電流表A2的示數(shù)一直減小;當(dāng)R>?（R+r）/2?，?即R>?r時，隨著Rx的增大，f（Rx）先增大后減小，電流表A2的示數(shù)先減小后增大.

規(guī)律2?（1）負(fù)載電阻RL上的電流變化規(guī)律與變阻器上并聯(lián)段電阻變化相同;

（2）通過變阻器上并聯(lián)段電阻的電流變化與滑動變阻器總阻值R和電源內(nèi)阻r有關(guān)：

①R≤?r時，通過變阻器上并聯(lián)段電阻的電流變化與滑動變阻器電阻變化相反;

②R>?r時，通過變阻器上并聯(lián)段電阻的電流變化與滑動變阻器電阻變化先反后同.

3?分壓電路中的電壓變化規(guī)律

如圖1所示分壓電路中，已知電源電動勢為E，變阻器總電阻為R.閉合開關(guān)S后，負(fù)載電阻RL兩端的電壓U隨變阻器a端至滑片P之間的電阻Rx的變化而變化.關(guān)于負(fù)載電阻兩端的電壓U隨RX變化的關(guān)系式為：U=ERLRXRL+RXR-RX+RLRXRL+RX+r

整理可得：U=ERLRX-RX2+（R+r）RX+（R+r）RL.為了能夠看出負(fù)載電阻RL兩端的電壓U隨變阻器a端至滑片P之間的電阻Rx的具體關(guān)系，我們令RL取一些具體數(shù)值，并用Excel畫出U隨Rx的變化規(guī)律圖像.若電源電動勢為10V，變阻器總電阻為R=10Ω，負(fù)載電阻分別為RL1=1Ω、RL2=3Ω、RL3=5Ω、RL4=10Ω、RL5=15Ω、RL6=30Ω、RL7=100Ω時的圖像如圖3所示，其中圖3（a）為內(nèi)阻r=0.5Ω的情況，圖3（b）為內(nèi)阻r=0Ω的情況.

由圖3（a）（b）可知，不管電源內(nèi)阻存在與否，對于同樣的RL值，負(fù)載電阻兩端的電壓U隨RX的變化趨勢相同.對于同一電源，不同的RL值，調(diào)節(jié)滑片P時負(fù)載電阻兩端的電壓變化規(guī)律不同.當(dāng)負(fù)載電阻RL遠(yuǎn)小于變阻器電阻R時，負(fù)載電阻兩端的電壓U隨RX的變化而更迅速變化;當(dāng)負(fù)載電阻RL遠(yuǎn)大于變阻器電阻R時，負(fù)載電阻兩端的電壓U隨RX的變化而更加平穩(wěn)變化，從而可獲得更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

規(guī)律3?在分壓式接法中，如果不考慮能耗，在保證儀器安全前提下，應(yīng)該盡量選擇全阻較小的滑動變阻器這樣調(diào)節(jié)起來比較線性便于操作.但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中要注意如果滑動變阻器全阻太小可能會造成通過變阻器及干路電流過大.

4?分壓電路安全性能的討論

在如圖1所示電路中，電源電動勢E=10V，內(nèi)電阻r=0.5Ω，負(fù)載電阻RL=100Ω.在這種情況下，選用全電阻R=10Ω、額定電流Im=1A的滑動變阻器連成分壓器，是否安全？

通常認(rèn)為當(dāng)滑片P滑到變阻器的a端時，負(fù)載電阻被連接導(dǎo)線所短路，兩端的電壓為零.這時電路中的電流全部流經(jīng)變阻器，它的大小是I1=E/（R+r）=10V/10.5Ω=0.95A;當(dāng)滑片P滑到變阻器的b端時，負(fù)載電阻與變阻器并聯(lián)，它們兩端的電壓U=ER并/（R并+r）=9.48V，這時過滑動變阻器的電流為I2=U/R=9.48V/10Ω=0.95A;由于有I1

實(shí)際上該分析思路沒有全面深入地考察滑片P移動所引起的電流變化，只根據(jù)兩個極端情況所作的結(jié)論是不一定對的.當(dāng)滑片P與變阻器的端接觸處于b端位置時，電路的總電阻最小，其大小R并=RLRRL+R=1000110Ω，干路中的電流最大，其值為Imax=E/（R并+r）=1.043A.因此當(dāng)滑片P只是接近而尚未接觸變阻器的b端時，滑片P右側(cè)的變阻器的一小段電阻絲上流過的電流將會趨近于1.043A，超過額定電流值Im，是會被燒壞的.但是燒壞變阻器，滑片P并非一定要處在這個位置上.

在圖1電路中，設(shè)滑片P位于變阻器上的某一點(diǎn)c時，干路上的電流大小恰好等于變阻器的額定電流值，假定這時滑片P左側(cè)變阻器的電阻絲阻值為Rc，則有：

Im=ERLRcRL+Rc+R-Rc+r=1A

解方程并代入數(shù)據(jù)，即得Rc=1+3894Ω≈7.33Ω.

當(dāng)滑片P處在變阻器上c點(diǎn)右側(cè)除端點(diǎn)b以外的任何位置上時，由于R>RC，滑片P右側(cè)電阻圈上流過的電流均大于變阻器的額定電流，都會燒斷電阻絲.

規(guī)律4?對選作分壓器用的滑動變阻器的額定電流應(yīng)從總電流的最大值來考慮.

綜上所述，在遇到滑動變阻器分壓電路的教學(xué)難點(diǎn)問題時，通過利用數(shù)學(xué)表達(dá)式和圖像對分壓電路中的電阻、電流、電壓規(guī)律及安全性進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠?jì)算與討論，不僅能帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷問題解決過程，也給學(xué)生分析分壓電路問題打開了思路，使學(xué)生更容易理解和掌握分壓電路模型，從而更加靈活地設(shè)計(jì)和使用分壓電路.

參考文獻(xiàn)：

[1]張永興.分壓器的電壓輸出和可調(diào)問題[J].物理教師，1996（09）：12-13.

[2]周曉紅.關(guān)于分壓電路的討論[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，1998（04）：19-20.

[3]平功遠(yuǎn).用Excel對分壓器電路中變阻器取值的研究[J].物理教學(xué)探討，2006（05）：54-55+62.

[4]方洪，金燦.論分壓電路中保護(hù)電阻的運(yùn)用[J].物理通報，2017（03）：93-95.

[5]楊小知.利用掌上教研平臺提升物理教學(xué)效率——以“電路設(shè)計(jì)——分壓器電路中滑動變阻器的選擇”為例[J].上海課程教學(xué)研究，2017（03）：14-17.

（收稿日期：2019-06-27）