欧阳荣华
湖北省荆门市龙泉中学（448000）
摘要：高中物理电学实验在物理实验教学中是一个难点，尤其是涉及到控制电路及电路中滑动变阻器的选择问题，学生总是觉得一头雾水，不好把握。本文通过典型例题解析，结合物理图像，进行科学分析推理，使学生深刻体会滑动变阻器阻值的大小对实验数据采集的重要影响。然后，带领学生进实验室，设计对比试验，并通过亲手实验操作，采集数据，描绘图像，体会“可操作性强”的实际意义，理论分析与实践操作相结合，彰显知识的“灵动”。
关键词：有效解决，电学实验，难点，例析
一、问题综述
滑动变阻器是中学电学实验中常用的仪器,在电路中用于调控用电器的电流、电压。常用的接法有分压式和限流式两种。在电学实验中,如何把滑动变阻器正确的接入电路是学生感到非常棘手的问题之一,也是实验成功与否的一个重要因素，更是高中物理实验教学的难点。
1.滑动变阻器在电路中的两种接法:
（1）限流式接法：通过改变变阻器电阻来改变电路中的电流,以控制电路中的电流。限流式如图1(a)所示。
图1
（2）分压式接法：通过变阻器改变电阻来改变用电器两端的电压,起调压器的作用。分压式如图1(b)所示。
2.变阻器分压式接法与限流式接法的特点:待测电阻上电压、电流的调节范围不同；电路消耗的功率不同。
3.分压式接法与限流式接法的选择
滑动变阻器的两种接法都能控制调解负载的电流和电压,但是在相同条件下调解效果不同。实际应用中要根据具体情况恰当地选择限流接法和分压式接法。
在满足安全条件，由于限流式电路能节约能源,电路结构简单,因此应优先选择限流式接法。但是，在下列情况下必须采用分压式接法。
（1）当滑动变阻器总电阻小于被测电阻时,且要求测量的电压或电流变化范围较大；（2）明确要求测量电路的电压从零开始变化；（3）若采用限流接法,电路中的最小电流仍超过用电器的额定电流。
可以简记为:零起必分(压),滑小必分(压);滑大可限(流),烧表必分（压）。
二、例题赏析
示例：某高二物理实验小组要描绘一只小灯泡L（3.8V 0.3A）完整的伏安特性曲线，实验室除导线和开关外，还有以下器材可供选择：
A.电源E1（电动势为8V，内阻约为0.5Ω）
B.电源E2（电动势为3V，内阻约为0.2Ω）
C.电压表V（量程为4V，内阻约为5000Ω）
D.电流表G（量程为10mA，内阻为58.0Ω）
E.电阻箱R（最大阻值为99.99Ω）
F.定值电阻R0=12Ω
G.滑动变阻器R1（阻值不清，额定电流为1.5A）
H.滑动变阻器R2（阻值不清，额定电流为1.5A）
图2
本实验中考虑要采用分压电路，因两个滑动变阻器铭牌上标注的电阻值看不清楚，组内同学对滑动变阻器的选择展开讨论。甲同学提出：先用电源E2、小灯泡、电压表和滑动变阻器组成如图甲所示电路，分别接入滑动变阻器R1和R2，移动滑动变阻器滑动触头调整小灯泡的两端电压，获得电压表示数U随aP间距离x的变化图线。按甲同学的意见，实验得到的U-x图线（如图乙所示），则说明图线R2的总阻值____（填“大于”“小于”或“等于”）R1的总阻值，为方便调节应选用滑动变阻器_____（填“R1”或“R2”）。
【例题分析与详解】在甲图中，小灯泡和Pa间的电阻并联，再与Pb间电阻串联，如果滑动变阻器阻值很大，当x开始逐渐增大时，小灯泡和Pa间的并联电阻，远小于Pb间电阻，根据串联电路正比分压，并联部分的电压较小，且增大较慢。由图可知，R2的总阻值小于R1的总阻值；由于是滑动变阻器的分压式接法，滑动变阻器总阻值不管多大，灯泡两端电压的调节范围是一样的。选择总阻值较小的滑动变阻器，滑动触头移动同样的距离，电压变化比较明显。为调节方便，分压电路中滑动变阻器应选用总阻值较小的。即滑动变阻器应选用R2。
本例题只节选了对本文有用的部分内容，将滑动变阻器的选择以另外一种方式展现，通过对实验得到的U-x图线的细致科学的分析，自然得到科学的结论，同时，对前面讲到的滑动变阻器的选择原则自然融会贯通，同时理解也应该更加深入。
三、实践体验
上例中，只是直接告诉“按甲同学的意见，实验得到的U-x图线（如图乙所示）”，可现实情况是做题的学生并没有亲自到实验室动手做实验，采集数据、根据数据描绘函数图像，知识的理解与掌握还是只停留在“表象”，是一个“记忆的加深”而已。笔者觉得，例题的有效素材还没有被充分挖掘。毕竟，从这一角度设计实验习题进行考查，角度还是很新颖独到的。在高中物理实验教学中，这样精巧的物理实验素材确实不多。
抓住这样的机会，我从两个方面入手，有效拓展本例题的“功用”。
一是组织学生到实验室亲手实验操作。接线、测数据、记录数据、描绘图像。做了两组对比实验：
实验组别 待测电阻阻值 滑动变阻器R1（最大阻值10Ω） 滑动变阻器R2（最大阻值50Ω） 滑动变阻器
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然后，根据记录的实验数据，描绘电压表示数U随aP间距离x的变化图线。分析U-x图像，进一步体会滑动变阻器阻值的大小是相对的，是相对待测电阻的阻值而言的。这样就能避免控制电路的选择及滑动变阻器选择的误区。对实验仪器的选择的领悟上会更上一个层次。
图3
二是借用手机实用APP软件Desmos进行数据处理，直观展示最大阻值不同的滑动变阻器在不同阻值的待测电阻两端电压U随aP间距离x动态变化过程。为了简单起见，不计电池的内阻，待测灯泡的阻值记为a,滑动变阻器的最大阻值记为b,ap间的阻值记为x,则灯泡两端电压的表达式为：
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图4
由以上函数图像可以看出，当滑动变阻器的总阻值与待测电阻的阻值相当时（中间图），待测电阻两端的电压随滑动的长度近似呈线性变化；滑动变阻器的总阻值与待测电阻的阻值相差太大，线性不明显。
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图5
由以上函数图像可以看出，也可以得出相同结论。
四、问题反思
在高中物理实验教学中，有关物理实验仪器的选择，尤其是滑动变阻器的选择问题，不能像物理规律的学习一样能明确给出几个定理或定律，解题时放心使用定理或定律解决问题；而在滑动变阻器的选择时，同学们有很多疑惑不解的地方，思考和处理这类问题时，很纠结，无所适从。通过通过以上实践操作与数学分析，使我们认识到，任何结论的得出都不能凭“感觉”，只有“知其然，并知其所以然”，才能形成牢固的印象，物理能力自然形成。