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标题 简易数字化限流和分压电路演示装置
范文

    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)

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更新时间:2025/3/14 20:39:17