限流法和分压法两种连接方式的选取
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的干路电流更小，所以限流电路中消耗的总功率较小，电源消耗的电能就较小，这说明限流具有节能的优点。在实际电路设计时应视实验要求灵活选取分压电路或限流电路。
(一)分压电路的选取
1．若实验要求某部分电路的电压变化范围较大．或要求某部分电路的电流或电压从零开始连续可调．或要求多测几组I、U数据，则必须将滑动变阻器接成分压电路。
例1：测定小灯泡“6V，3W”的伏安特性曲线，要求实验中灯泡两端的电压从零开始连续可调。供选择的器材有：电压表V，(量程6V，内阻20kD,)，电流表A．(量程3A，内阻0．2Q)，电流表A，(量程0．6A，内阻lfl)，变阻器R，(0～100fl，0．5A)，变阻器R，(0～20fl，0．2A)，学生电源E(6—8v)、开关及导线若干。选择出
符合实验要求的实验器材并设计出实验电路。
分析：不管是从题中要求灯泡两端电压必须从零开始连续可调的角度考虑．还是从为了最终能较准确画出伏安特性曲线必须多测几组I、U数据的角度考虑．限流电路都难以满足要求，因此必须采用分压电路。实验电路如图3所示。器材包括：电压表V，、电流表A，、变阻器R，、电源、开关及导线。若实验中要用小阻值的滑动变阻器控制大阻值负载．或者题中所给电源电动势过大．尽管滑动变阻器阻值也较大．但总电流大予负载的额定电流值，或总电流大于接入电表的量程，此时的滑动变阻器也应接成分压式电路：若负载电阻的额定电流不清楚，为安全起见．一般也连成分压电路。
例2：为了较准确地用伏安法测定一只阻值大约是3kn的电阻，备用的器材有：A、直流电源，电压12V，内阻不计；B、电压表，量程O一3—15V，内阻10kft；C、电流表，量程0～0．6～3A，内阻20n；D、毫安表，量程5mA，内阻200Q；E、滑动变阻器，阻值0～50Q；G、电键及导线若干。试设计出实验电路。
分析：本题中，由于待测电阻约为3kQ．而滑动变阻器控制大阻值负载的情况．因此应将滑动变阻器接成分压电路．否则无法调节负载电阻两端的电压及通过负载电阻的电流的有效变化而造成较大的偶然误差。设计电路如图4所示(外接法
及电表选取分析略)。
例3：用伏安法测一个电阻Rx的阻值。提供器材有：待测电阻Rx(约5knl、电压表(0—3V，内阻100k11)、微安表(0～500puA，内阻100f1)、变阻器(0～20kfl)、稳压电源(输出电压15V)。试设计出实验电路。
分析：若接成限流电路，电路中最小电流：I⋯=E／R=15／(5+20)x10。A=0．6x10。A=600¨A。大于微安表的量程。因此，为了电路安全必须将变阻器接成分压电路，如图2所示。
(二)限流电路的选取
1．一般说来，题目若没有特别的要求．由于限流电路具有节能的优点。并且限流电路的连接较为简便，则优先采用限流接法。由图1和图2不难看出。若用电器正常工作，图2电路中的总电流必然大于图1电路中的总电流。因而图2分压电路消耗的电功率较大。所以，为了节能和电路连接的方便．通常采用限流式接法。
2．若题目中要用较大阻值的滑动变阻器控制阻值较小的负载，在保证负载和电表安全的前提下，一般也将滑动变阻器接成限流电路。
例4：在上述的图2电路中，如果Rx较小，R较大，那么在P由a滑到b的过程中，由于Pa电阻与Rx并联的电阻较接近Rx．因此在开始的很长一段距离上Rx上的电压变化较小．而在P接近b端时，因并联值与P电阻迅速接近而使Rx上电压发生突变(即突然增加)，故此不易控制，所以此种情况下应把滑动变阻器接成限流电路。可见。如若切实掌握了分压与限流接法的电路特点和电路选择原则，有关滑动变阻器的连接问题就可迎刃而解了。
3接法选择（来自06）
滑动变阻器通常选用限流接法，但在下列三种情况下，必须选择分压接法.
(1)采用限流接法时，负载的额定值或测量仪表的量程小于实际值时，采用分压接法.
[例」用伏安法测金属电阻 (约为5)的阻值，已知电流表内阻为1量程为，电压表内阻为几千欧，量程为3V，电源电动势为，滑动变阻器的阻值为额定电流为，试画出测量电阻的原理图.
分析与解答
①经估算可知，电流表应外接.
②如果变阻器采用限流接法，负载的电压变化范围约为，显然负载的实际外加电压总大于与其并联的电压表的量程，应采用分压接法，实际电路应如图3所示.
(2)变阻器电阻远小于被测电阻或电路中串联的其它电阻阻值时，采用分压接法.由于采用限流接法时，负载的电压变化范围为,当时，。所以此种接法，负载的电压变化极小，变阻器起不到改变负载电压(或电流)的作用.所以此时一定采用分压接法.
(3)问题要求回路中某部分电路，电压从零开始连续变化.显然滑动变阻器采用分压接法才能满足要求.
在两种接法都能满足的情况下，应采用限流接法.因为分压接法比限流接法多接通一条支路(图1中的a，P)，如果使用相同的变阻器在达到相同要求时，分压接法消耗的电功率总比限流接法大些，这部分浪费的电功率应越小越理想.
滑动变阻器两种连接方式的选择原则（来自09）
滑动变阻器是电学实验中用的器材,它在电路中的连接式是中学物理实验教学的难点也是历年高考的一个重要考点滑动变阻器在电路中的连接方有两种,一种是限流式接法(如1a),另一种是分压式接法(如1b)。下面我们对滑动变阻器两种连接方式进行分析。
1 两种连接方式的区别
假设AB两端电压为U
(1)消耗的功率不同
限流式电路消耗的功率为
分压式电路消耗的功率为
因为,所以,因此,即限流式电路节约电能。
(2)用电器分得电压变化范围不同
限流式电路用电器分得电压的变化范围为。可见用电器分得电压变化范围较小,且不能从零开始变化。分压式电路用电器分得电压的变化范围为。可见用电器分得电压变化范围较大,且可从零开始变化。
2 两种连接方式的选择原则
(1)节能优先的原则
在实验中,如果碰到滑动变阻器以限流方式或分压方式连接成电路均可的情况时,因为限流方式比分压方式节能,应先考虑限流方式。
例如在高二学生实验“测金属的电阻率”中,待测金属丝的电阻大约为,所提供的滑动变阻器电阻为,待测电阻小于滑动变阻器的电阻,采用限流或分压两种方式的电路对通过的电流均有明显的控制作用因此,两种连接方式连入电路均可。但是,前面分析过,限流方式比分压方式更节能,所以应优先考虑限流方式。只有当被测电阻远大于滑动变阻器电阻时,即使滑动变阻器滑动触头从一端滑至另一端,两端电压和流入的电流变化仍极小,滑动变阻器的限流作用不明显,这时滑动变阻器只能采用分压式接法。
(2)保护用电器的原则
物理实验首先要保证电路中各种用电器的安全,当题目所提供的仪器,如电表量程或电阻的最大允许值不够时,限流式接法不能保证电路中各种器件的安全
工作,此时应该采用分压式接法。现以1997年高考题为例进行分析。
[例1]某电压表的内阻在之间,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 (量程200μA),电流表(量程5mA),电流表 (量程),滑动变阻器R(最大阻值1),电源E(电动势4V),电键K,为了尽量减小误差,要求测多组数据。试画出符合要求的实验电路图。本题如果采用限流式接法,被测电压表与滑动变阻器串联,加在电压表上的最小电压为,已超过电压表的量程,将损坏电表,故应该采用分压式接法。
(3)适用性原则
如果题目对实验有特殊要求,则应在保证用电器安全的前提下,按照题目的要求选择合适的连接方式。现以1993年高考题为例进行分析。
[例2]将量程为100μA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),改装及校准所用器材的实物图(略)(其中标准电流表事先已与一固定电阻串联,以防烧表),校准时要求通过电流表的电流能从0连续调到1mA,试按实验要求在所给的实物图上连线。
本题要求校准时通过电流表的电流能从0连续调到1mA,此时滑动变阻器只能采用分压式接法。
又如在实验中为了测定一个小电珠在不同电压下的功率,测量时要求小电珠两端的电压从零开始连续调节,此时滑动变阻器也只能采用分压式接法。
滑动变阻器调节特性的实验研究(来自10)
滑动变阻器在实验中起限流、分压的作用,常用的方法有两种:限流电路(如图1a)、分压电路(如图1b),两种接法都能调节负载电阻两端的电压(即输出电压)。那么,两种接法对输出电压的调节是否存在差异呢?不妨对此进行实验研究。
图1
实验器材:、滑动变阻器,电阻箱,伏特表,3V电池,电键。
1 输出电压与滑动距离的关系
(1)限流电路
自A端滑动端向B端移动,根据欧姆定律可得输出电压
为使问题研究方便,不计电源内阻r,则
(式中,∝X。X的变化范围),可。
当时,即滑动端处于A端,
当时,即滑动端处于B端,。
对应的输出电压与滑动距离的关系曲线如图2a所示。
(2)分压电路
自A端滑动端向B端移动,根据欧姆定律可得输
出电压
为使问题研究方便,不计电源内阻r,则
可见。
当时,滑动端处于A端,。
当时,滑动端处于B端, ,
对应的输出电压与滑动距离的关系曲线如图3a
所示。
实验结果如表1:取
实验曲线如图3b①所示。同样,从理论曲线与实验曲线的对比,可见实验曲线低于理论曲线,显然也是由电源内阻影响所致。
2 负载电阻对曲线的影响
根据前面的公式,可以发现曲线随着负载电阻R的增大而逐渐上移,当R很大时,曲线趋向于一条直线。
(1)理论分析
①限流电路。忽略电源内阻,根据公式
当时,则,;,。
当时,则,;,。
当时,则,;,。
对应的曲线是一条的水平直线。如图2a所示。
②分压电路。忽略电源内阻,根据公式
当时,则,;,。
当时,则,;,。
当时,则,;,;,。对应的曲线是一条过0点的倾斜直线,如图3a所示。
(2)实验分析
①限流电路。负载电阻阻值R分别取、、、,对应的曲线如图2b中②、③、④、⑤、⑥所示。
②分压电路。负载电阻阻值R分别取、、、、,对应的曲线如图3b中②、③、④、⑤、⑥所示。
理论及实验分析都说明了负载电阻的取值对曲线有显著的影响,输出电压的大小、调节范围以及调节性能随负载电阻R的变化而变化。
对于限流电路,根据曲线可知:
时,输出电压有最小值,;时, ,电压调节范围为。
b负载电阻R的值越大,输出电压的调节范围越小,但电压的调节性能越好。然而,当负载电阻R远大于变阻器满值电阻时(),曲线趋于一条水平直线,这时,完全失去了变阻器调节电压的作用。
c负载电阻R的值越小,输出电压的调节范围越大,但电压的调节性能变差。
在负载电阻R确定后,根据限流电路曲线,可按选择滑动变阻器。这样,可兼顾输出电压调节范围较大且调节线性变化性能较好。
对于分压电路,根据曲线可知:
时,;时, ,输出电压调节范围为。
b负载电阻R的阻值越大,电压调节的线性变化性能越好。当负载电阻R远大于变阻器满值电阻时,曲线为过原点的一条倾斜直线,对电压可实行全程的线性调节。
一般在负载电阻R确定后,可根据分压电路的曲线,按选取滑动变阻器。
选取变阻器时,除了考虑阻值外,还应考虑其额定电流,以免损坏变阻器或不能满足电路的需要。
3 电源内阻对曲线的影响
从实验曲线可以明显看出,电源内阻r对曲线有一定的影响。对于限流电路输出电路的最小值略有影响,但不大,可以忽略;而对分压电路输出电压的初始值则无影响。无论是限流电路还是分压电路,电源内阻对输出电压的最大值都有影响,且负载电阻R的值越小,影响越大,即电压最大值随负载电阻R值的减小而减小。其原因是:负载电阻较大时,回路总电阻较大,总电流则较小,电源内阻上承担的压降较小;而负载电阻较小时,回路总电阻较小,总电流则较大,电源内阻上承担的压降较大,从而导致整个曲线下降。因而,负载电阻较小时,电源内阻对输出电压的影响较为明显,减小了输出电压和调节范围。当负载电阻一定时,电源内阻r的值越大,输出电压越小。因而电源内阻越小越好。
总之,滑动变阻器在实验中的选取与接法,应根据负载电阻的大小、电压调节范围及调节性能等要求综合考虑而定。
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