吳志山

（江蘇省南通第一中學(xué)，江蘇南通 226001）

Excel助陣，難點(diǎn)巧突破
——談分壓與限流電路中滑動變阻器的選取

吳志山

（江蘇省南通第一中學(xué)，江蘇南通 226001）

電學(xué)實(shí)驗(yàn)控制電路中滑動變阻器的選擇是教學(xué)的難點(diǎn)，本文介紹運(yùn)用Excel圖表功能定量作圖比較的方法，探究選取不同變阻器時對電路的影響，從而較好地突破了不同變阻器選取的教學(xué)難點(diǎn)。

Excel；滑動變阻器；分壓；限流

滑動變阻器的選擇問題是高考實(shí)驗(yàn)題的熱點(diǎn)，卻也是教學(xué)的難點(diǎn)之一。學(xué)生之所以覺得難，主要是因?yàn)榛瑒幼冏杵髯柚底兓鸬碾娐分须妷夯螂娏鞯淖兓P(guān)系比較復(fù)雜，特別是分壓電路關(guān)系式，學(xué)生很難直接看出變化關(guān)系；其次是對不同阻值的滑動變阻器接入電路中調(diào)節(jié)對電路的影響，學(xué)生難以進(jìn)行直觀的比較。針對這些難點(diǎn)，筆者用Excel強(qiáng)大的圖表功能，讓學(xué)生定量作圖比較選取不同變阻器時對電路的不同影響，從而突破了不同變阻器難以比較、難以選取的難點(diǎn)。

一、分壓電路

如圖1所示的分壓電路（不計(jì)電源內(nèi)阻，下同）結(jié)構(gòu)是負(fù)載電阻R與滑動變阻器上RAP并聯(lián)后再與RPB串聯(lián)，電阻R上的電壓隨RAP變化的表達(dá)式為，顯然這是一個復(fù)雜的表達(dá)式，不容易直接看出變量和自變量的關(guān)系，但借助Excel，我們可以畫出電壓UR隨RAP變化的圖線。因?yàn)椴煌冏杵髯柚挡煌?，考慮到選取不同的變阻器時便于比較，我們?nèi)』^的電阻與其總電阻的比值k作為橫坐標(biāo)且每次變化步伐為0.05（或更?。@樣在滑片從左向右滑時，不同變阻器的k值都是按相同的比例（長度）從 0變化到1，電阻從0變化到最大值R0。因?yàn)殡娫措妷翰蛔?，我們可以取電阻上電壓與電源電壓的比值作縱坐標(biāo)，也就是前式中的分式值。

圖1

（1）打開 Excel表格，建立如圖2所示的表頭：電阻R、可選變阻器總電阻R1至R8、步伐、與變阻器R1至R8對應(yīng)的電壓比值U1至U8。

（2）在 C2輸入電阻 R值（本例取100Ω），在D2至K2輸入要比較的滑動變阻器的值（本例取5Ω、50Ω、100Ω、200Ω、500Ω ……），在M2輸入0，M3輸入0.05，然后用填充柄向下填充到1。

（3）在N2中輸入前面電壓公式比值 UR/E：=$C$2*D$2*$M2/（$C$2+D$2*$M2）/（$C$2*D$2*$M2/（$C$2+D$2*$M2）+D$2-D$2*$M2），注意式中的相對和絕對引用（符號$），這樣在改動電阻值時圖線能自動實(shí)時更新比較探究，然后用填充柄向右向下拖動填充其它單元格。

圖2

（4）選中比值 k及各電壓單元，用Excel圖表功能作平滑散點(diǎn)圖見圖2（括號中數(shù)值為滑動變阻器最大值與電阻R值相比的倍數(shù)）。

從圖2中可以看出，阻值越小的滑動變阻器調(diào)節(jié)時電阻R上的電壓變化的線性度越好，阻值很大（如10倍于電阻R）的滑動變阻器在滑過60%長度時電壓變化還不到20%，剩下的大于80%的電壓變化卻在40%的滑動長度內(nèi)完成，這很不利于調(diào)控與測量，所以在分壓電路中，與負(fù)載電阻相近或小于負(fù)載電阻的滑動變阻器都可以選，與負(fù)載電阻相比太大的電阻不利于調(diào)控不能選。另外，從圖中我們也可看到，與電阻R相比1倍左右的滑動變阻器調(diào)節(jié)線性度相差并不是很大，但由分壓電路結(jié)構(gòu)我們知道，選擇小阻值滑動變阻器時電路功耗會增大很多，所以在自己設(shè)計(jì)分壓調(diào)控實(shí)驗(yàn)時，不需要為了片面追求調(diào)節(jié)線性而選擇特別小的滑動變阻器做實(shí)驗(yàn)。

二、限流電路

圖3

如圖3所示的限流電路中，滑動變阻器R0與R串聯(lián)，控制電路電流變化。由定性分析我們知道，若R0<>R，滑片P向右移動時的無效滑動距離很長，能調(diào)節(jié)負(fù)載電阻R上

的電壓的滑片距離范圍又太短，不容易甚至無法完成測量。那R0與R相比在什么范圍時合適呢？這仍可以借助Excel對該問題進(jìn)行定量分析：

（1）建立與分壓電路相似的表格如圖4，我們在C2輸入電阻R值（仍然取 100Ω），在 D2至 K2輸入要比較的滑動變阻器的值（本 例 取 5Ω、50Ω、100Ω、200Ω、400Ω……）。

圖4

從圖4中可以看出，阻值很小的滑動變阻器 （如圖中 5Ω,0.05倍）調(diào)節(jié)的范圍很窄，電阻R上電壓接近電源電壓幾乎不變；阻值很大的滑動變阻器（如2000Ω，20倍）在電壓調(diào)節(jié)范圍上與8倍變阻器相比變化并不太大，但在滑過80%長度時電壓變化還不到20%，剩下的大于80%的電壓變化卻在20%的滑動長度內(nèi)完成，滑片P向右移動的無效滑動距離很長，而在電壓調(diào)節(jié)變化較大的20%內(nèi)甚至可能會出現(xiàn)滑片向右端稍稍一滑就超出儀器量程造成儀器損壞的現(xiàn)象，所以限流電路中太大或太小的滑動變阻器都不能選用，與定性分析吻合。由圖4可得，限流電路中在兼顧電壓調(diào)節(jié)范圍和調(diào)控方便的情況下，總電阻是待測電阻R值1倍至8倍左右的滑動變阻器比較合適。

結(jié)束語

滑動變阻器的選擇問題一直是中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，主要難在物理量關(guān)系復(fù)雜且沒有直觀的抓手，而Excel強(qiáng)大的計(jì)算和圖表功能恰好能突破以上難點(diǎn)，給學(xué)生一個直觀的分析和比較，教學(xué)效果得到了很大的提升。在教學(xué)過程中，我們?nèi)裟苌朴诶脤W(xué)生熟悉的Excel來突破一些動態(tài)、復(fù)雜計(jì)算問題的難點(diǎn)，相信我們的教學(xué)一定會更輕松、更精彩。

（編輯：魯利瑞）

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1673-8454（2010）22-0052-02