分压式与限流式接法

分压式与限流式接法

近几年的高考物理实验题中，多次重复考查滑动变阻器的两种接法——分压式与限流式．虽多次重复考查，但仍有不少学生出错．为什么会出现这一现象?主要原因是学生没有掌握两种连接方式的特点及其作用，遇到具体问题时不知道该选用哪种连接形式．笔者通过比较限流电路和分压电路的特点，希望与同仁探讨如何选择电路连接方式．

一、限流电路

图1

设电源电动势为，内阻不计，滑动变阻器的最大电阻为Ｒ，负载电阻为Ｒｆ．如图1所示，电路中滑动变阻器起限流作用．负载Ｒｆ的电压Ｕｆ可以从Ｒｆ／（Ｒ＋Ｒｆ）·到范围做变化．限流电路对通过负载Ｒｆ上电流强度的控制情况怎样呢?根据欧姆定律Ｉ＝

／（Ｒｆ＋ＲＰｂ），Ｉｆ＝Ｉ，当Ｒ＞Ｒｆ时，Ｉｆ主要取决于Ｒ，调节Ｒ的大小可使Ｉｆ有明显的变化．当Ｒ＜Ｒｆ时，Ｉｆ主要取决于Ｒｆ，特别是当Ｒ＜＜Ｒｆ时，无论怎样改变Ｒ的大小，也不会使Ｉｆ有明显的变化．可见，只有在Ｒ＞Ｒｆ（或者相差不多）的情况下，

改变滑动变阻器触头Ｐ的位置，才会使Ｉｆ有明显的变化，其变化范围为／（Ｒｆ＋Ｒ）～／Ｒｆ，从而起到对Ｉｆ的控制作用．

二、分压电路

图2

如图2所示电路中滑动变阻器起分压作用，滑片Ｐ自ａ端向ｂ端滑动，负载Ｒｆ上的电压变化范围为0～．显然，滑动变阻器被当作分压器使用时，调节负载上电压的范围比限流时调节范围大．分压电路对通过负载Ｒｆ上电流强度的控制情况又怎样呢?不管Ｒ的大小如何，调节滑动触头Ｐ的位置，都可以使Ｉｆ由零变化到／Ｒｆ，即Ｉｆ有明显的变化．

三、如何选择连接方式

在负载电流要求相同的情况下，限流电路中干路电流比分压电路中干路电流更小，所以限流电路中消耗的总功率小，电源消耗电能就小，这说明限流电路有其突出的节能优点．因此，从减少电能损耗的角度考虑，通常滑动变阻器应选用限流接法．但在下列三种情况下，必须选择分压器连接方式．

（一）当用电器的电阻远大于滑动变阻器的最大电阻，且实验要求的电压变化范围较大（或要求测量多组实验数据）时，必须选

用分压电路．

例1（1997年全国高考题）某电压表的内阻在20ｋΩ～50ｋΩ之间．现要测量其内阻，实验室提供下列可选用的器材：待测电压表Ｖ（量程3Ｖ）；电流表Ａ１（量程200μＡ）；电流表Ａ２（量程5ｍＡ）；电流表Ａ３（量程0．6Ａ）；滑动变阻器Ｒ（最大阻值1ｋΩ）；电源（4Ｖ）；开关Ｓ；导线若干．

（1）所提供的电流表中，应选用______（填写字母代号）； （2）为了尽量减小误差，要求测多组数据，试画出符合要求的电路图．

分析（1）电路中的最大电流值Ｉｍａｘ＝／ＲＶ＝0．2ｍＡ（Ｒ

20ｋΩ代入），故电流表应选Ａ１．

Ｖ应将

图3

（2）由于滑动变阻器的阻值Ｒ远远小于电压表的内阻ＲＶ，且要求测多组数据，故采用变阻器的分压连接方式，实验电路图如图3所示．若变阻器连接成限流电路，由于Ｒ＜＜ＲＶ，实验测量的Ｉ

几乎不随Ｒ的变化而改变，很难测出几组明显不同的值，更Ｖ、ＵＶ

谈不上尽量减小误差．

（二）若采用限流电路，而且电路中的最小电流仍超过用电器

的额定电流时，必须选用分压电路．

例2（1994年全国高考题）用伏安法测量一个定值电阻的器材规格如下：待测电阻Ｒｘ（约100Ω）；直流电流表（量程0～10ｍＡ、内阻50Ω）；直流电压表（量程0～3Ｖ、内阻5ｋΩ）；直流电源（输出电压4Ｖ、内阻不计）；滑动变阻器（0～15Ω、允许最大电流1Ａ）；开关1个，导线若干．根据器材的规格和实验要求画出实验电路图．

分析若滑动变阻器采用限流式连接，即使变阻器调到最大阻值，通过电路的电流

Ｉｍｉｎ＝／（Ｒ＋ＲＡ＋Ｒｘ）＝24ｍＡ＞10ｍＡ，

仍大于直流电流表的最大量程，故滑动变阻器应采用分压式连接． 又因为Ｒ０≈＝500Ω＞Ｒｘ，故采用电流表外接法．实验电路如图4所示．

（三）要求回路中某部分电路的电流或电压从零开始可连续变化时，必须选用分压电路．

例3（1993年全国高考题）将量程为100μΑ的电流表改装成量程为1ｍＡ的电流表，并用一标准电流表与改装后的电流表串联，对它进行校准（核对）．较准时要求通过电流表的电流能从零连续调到1ｍＡ．试按实验要求画出电路图．

图4 图5

分析较准时要求通过电流表的电流能从零连续调到1ｍＡ，则实验电路只能选择分压电路，否则电流表读数不能从零连续可调，电路如图5所示．

例4（1991年上海高考题）一个电灯，电阻为4Ｒ，试设计一个电路，使电灯两端的电压调节范围尽可能大．可利用的器材有：一个电动势为、内阻为Ｒ／5的电源；一个最大阻值为R的滑动变阻器；1个开关，导线若干．

（1）画出实验电路图；

（2）灯泡两端电压可调节的范围是多少?

分析（1）要求电灯两端电压的调节范围尽可能大，只有将滑动变阻器连接成分压电路，电灯两端的电压才能从零开始有较大的调节范围．若采用限流接法，电灯两端电压的最小值大于零，电压调节范围较小．实验电路如图6所示．

图6

（2）当滑片Ｐ滑到滑动变阻器的ａ端时，ＵＲｆ＝0；当滑片Ｐ滑到ｂ端时，有

Ｉ＝／（（Ｒ·4Ｒ／（Ｒ＋4Ｒ））＋（Ｒ／5））＝／Ｒ， ＵＲｆ＝Ｉ·（Ｒ·4Ｒ／（Ｒ＋4Ｒ））＝（／Ｒ）×（4Ｒ／5），

即ＵＲｆ＝（4／5），

所以灯泡两端电压可调节的范围是0～（4／5）．

可见，掌握了分压与限流接法的选择原则和电路特点，对解决滑动变阻器的连接问题是颇为方便的．