滑动变阻器的改进方法

梁万林 邓卫娟 杨万权 陈相栋 岳欣雨 黄秋萍

摘 要：针对分压电路试验中滑动变阻器变值电阻测量困难的问题，利用数显卡尺对滑动变阻器进行改进，将滑动变阻器变值电阻的测量转化为滑动变阻器螺线管电阻丝轴向长度的测量。改进后的滑动变阻器不仅具有较高的长度测量精度，还具有数字化显示功能，使用改进后的滑动变阻器测绘的分压特性曲线与由理论公式描绘的分压特性曲线吻合度较好，有助于培养学生的创新意识和实验素养。

关键词：滑动变阻器;数显卡尺;轴向长度

中图分类号：O441.1     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）9-0043-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.09.008

Improvement of Sliding Rheostat

—Taking the Experiment of Voltage Dividing Circuit as an Example

LIANG Wanlin     DENG Weijuan     YANG Wanquan    CHEN Xiangdong    YUE Xinyu     HUANG Qiuping

（College of Mathematics，Hechi University，Hechi 546300，China）

Abstract：In view of the difficulty in measuring the variable resistance of the sliding rheostat in the voltage dividing circuit experiment，the digital caliper is used to improve the sliding rheostat，and the measurement of the variable resistance of the sliding rheostat is transformed into the measurement of the axial length of the resistance wire of the solenoid of the sliding rheostat.The improved sliding rheostat not only has high length measurement accuracy，but also has digital function.The partial pressure characteristic curve mapped by the improved sliding rheostat is in good agreement with the partial pressure characteristic curve depicted by the theoretical formula，which is helpful to cultivate students' innovative consciousness and experimental literacy.

Keywords：sliding rheostat;digital calipers;axial length

0 引言

滑動变阻器是一种既可作为定值电阻，也可作为变值电阻使用的仪器，常用于各种电路中，其结构是由表面镀有绝缘漆的电阻丝密绕在圆柱形瓷管上制作成螺线管形状的电阻部分，以及由导体棒、滑头、滑片、接线柱等非电阻部分组成。近年来，随着科学技术的发展，在使用滑动变阻器过程中，对传统的滑动变阻器提出了新的要求，并根据不同的功能要求对传统滑动变阻器进行了改进。邵卫平[1]针对教学中无法直观观察滑动变阻器流通情况的教学难点，用粗塑料管代替圆柱形瓷筒，用串有发光二极管的铜丝代替合金丝，在各个发光二极管两端并联一个极性相反的发光二极管，在铜导线上粘铜片做成接触片，用细塑料管代替滑杆，做成可视性滑动变阻器，移动滑片，通过发光二极管发光的情况，能够直观地看出连入的是哪部分电路。陈江政[2]把各穿过一个霍尔传感器的滑动变阻器电阻丝两端分别与接线柱A、B联接，叠层电池安装到瓷筒里，与两个并联的单片机电流数字显示器和一个开关进行串联，两个霍尔传感器的数据线分别连接一个单片机电流数字显示器，制作成新型电流数显滑动变阻器，从两个单片机电流数字显示器可分别读出流经A、B接线柱的电流，有效地解决了学生在学习滑动变阻器过程中理解电流路径教学的难点问题。吴同华等[3]在普通滑动变阻器电阻丝的中点增设一个新的接线“柱”，制作成具有分压、降压、转变极性、变直流为交流四种不同新功能的“新型的多功能滑动变阻器”。

在分压电路试验中，常用滑动变阻器来控制电路，通过移动滑片，改变滑动变阻器的电阻值从而达到改变负载电压的目的，起到分压作用。在普通物理试验中[4]，要求用试验测量的数据描绘分压特性曲线，而滑动变阻器电阻丝始端与滑片之间的变值电阻不能直接测量。本研究利用数显卡尺对滑动变阻器进行改进，将滑动变阻器变值电阻的测量转化为滑动变阻器螺线管电阻丝轴向长度的测量。改进后的滑动变阻器不仅具有较高的长度测量精度，还具有数字化显示功能，可以方便准确地测量滑动变阻器电阻丝始端与滑片之间螺线管电阻丝的轴向长度，提高了试验测绘分压特性曲线的准确度，改进后的滑动变阻器测绘的分压特性曲线与由理论公式描绘的分压特性曲线吻合度较好，有助于培养学生的创新意识和实验素养。

1 描绘分压特性曲线的原理

如图1所示的通电分压电路中，移动滑片C至滑动变阻器电阻丝某个位置时，负载RZ两端电压U为式（1）。

[U=ERZRACRZ+RAC+RCB×RZRACRZ+RAC]   （1）

取[K=RZR0]，[X=RACR0]，代入式（1），得式（2）。

[U=KXEK+（1-X）X]      （2）

式（2）表示取不同K值时，负载RZ两端电压U随X的变化关系，此关系曲线称为分压特性曲线。

由于滑动变阻器变值电阻RAC无法直接测量，于是做如下处理，设电阻丝电阻率为[ρ]、半径为[r]、螺线管电阻丝轴向单位长度匝数为n，电阻丝横截面积[s=πr2]，则X可表示为式（3）。

[X=RACR0=ρ×2πr×nL/sρ×2πr×nL0/s=LL0]    （3）

式中：L0为滑动变阻器螺线管电阻丝的轴向总长度;L为滑动变阻器螺线管电阻丝始端A与滑片C之间的轴向长度。式（3）把不可直接测量的RAC转换为可直接测量的L。

2 滑动变阻器的改进

针对分压电路试验中滑动变阻器变值电阻测量困难的问题，利用数显卡尺对滑动变阻器进行改进。在改进时，保持滑动变阻器的基本结构不变，改进只针对测量螺线管电阻丝轴向长度进行。以下为采用的改进方案：在滑动变阻器两侧的支架上各装上一個直立的支架，直立的支架顶部比滑动变阻器滑头顶部高约5 mm，在滑动变阻器上方加一个精度为0.02 mm的数显卡尺，数显卡尺的主尺固定在滑动变阻器两侧的直立支架上，动尺固定在滑头顶部绝缘橡胶上方，动尺可随滑头及滑片一起沿导体棒自由滑动，从数显卡尺液晶屏上的示数可以读出动尺及滑片滑动的距离，改进后的滑动变阻器如图2所示。

3 改进后的滑动变阻器的调节和应用

3.1 数显卡尺零示数的调节

图1所示的分压电路中，任意选择一个K值，在电阻箱打上相应的RZ值。在通电状态下，移动滑片C滑向滑动变阻器螺线管电阻丝始端A，当伏特表示数初为“0.00 mV”时，此时滑片C与电阻丝始端A之间的电阻RAC等于零，按下动尺上的“ZERO”按钮，调节数显卡尺上的示数为“0.00 mm”，如图3所示。

电阻RAC等于零时滑片C的位置与分压电路是否通电无关，且不受K值和RZ值的影响，主要由滑动变阻器的结构决定。

3.2 滑动变阻器螺线管电阻丝轴向总长度的测量

在图1所示的通电分压电路中，首先调节好滑动变阻器上的数显卡尺零示数，然后移动滑片C滑向滑动变阻器螺线管电阻丝末端B，当伏特表示数第一次达到最大值时，记下数显卡尺的示数，即为滑动变阻器螺线管电阻丝的轴向总长度L0，如图4所示。

K值和RZ值不同，伏特表示数最大值也不同，而滑动变阻器螺线管电阻丝的轴向总长度L0不变，即轴向总长度L0与K值、RZ值无关。

3.3 滑动变阻器螺线管电阻丝轴向长度的测量

调节好数显卡尺零示数后，移动滑片C至滑动变阻器螺线管电阻丝的某位置，记下数显卡尺的示数，此示数即为滑动变阻器螺线管电阻丝始端A与滑片C之间的轴向长度L，如图5所示。

4 改进后的滑动变阻器测绘分压特性曲线

4.1 试验装置

分压电路试验装置如图6所示，负载RZ采用ZX38A/11交直流电阻箱，控制元件R0采用总阻值为200 Ω（用UT61E数字万用电表电阻档测量为195 Ω）、额定电流为1.25 A改进后的滑动变阻器，电压表采用DHV-3A直流数显电压表，电源采用CA18303D双路直流稳压电源。

4.2 试验测绘分压特性曲线与理论分压特性曲线的比较

按图1连接好电路，根据滑动变阻器的额定电流，选择CA18303D双路直流稳压电源，输出电压E为3.0 V。试验前，调节好数显卡尺零示数，并测量得滑动变阻器螺线管电阻丝轴向总长度L0为94.00 mm。

把滑动变阻器螺线管电阻丝轴向总长度L0划分为47等份，每等份为2.00 mm，滑片C在0.00～94.00 mm范围内滑动，每次滑动2.00 mm，每滑动一次就从直流数显电压表上记录一次负载RZ两端的电压U。试验设置8组K值，分别为0.05、0.10、0.20、0.50、1.00、2.00、4.00、10.00。取X为横坐标、U为纵坐标，利用MATLAB软件编程描绘试验数据的分压特性曲线，并与由分压电路理论推导得到的式（1）理论公式描绘的分压特性曲线进行比较，如图7所示。

在图1所示的分压电路中，连接电路的导线、电键等都存在电阻，试验使用的ZX38A/11电阻箱的电阻值存在偏差以及CA18303D双路直流稳压电源输出电压存在波动。在试验中，选择电阻值较小的电键及电阻值偏差较小的ZX38A/11电阻箱，合理规划电路联接导线，尽可能减小导线的长度，可减小导线电阻值。另外，在CA18303D双路直流稳压电源输出端并联精度较高的DHV-3A直流数显电压表，控制直流电源输出电压E为3.000 V，用以减小直流稳压电源输出电压波动。由图7可知，剔除电路附加电阻以及试验仪器精度的影响，改进后的滑动变阻器测绘得到的分压特性曲线与式（1）理论公式描绘的分压特性曲线吻合度较好。

5 结语

使用改进后的滑动变阻器测绘的分压特性曲线与理论公式描绘的分压特性曲线吻合度较好，说明本次滑动变阻器的改进是成功的，验证了改进后的滑动变阻器的可靠性。本次滑动变阻器的改进是对分压电路实验教学中出现的问题进行的一次积极的探索，是对滑动变阻器数字化的一次较为成功的尝试。不仅提高了试验教学的效果，而且还为后续试验仪器改进提供了一种较为可行的思路。

与传统滑动变阻器相比，改进后的滑动变阻器具有4个优点。①改进后的滑动变阻器具有较高的长度测量精度和数字化功能;②可以方便准确地测量滑动变阻器螺线管电阻丝轴向总长度以及螺线管电阻丝始端与滑片之间的轴向长度;③使用改进后的滑动变阻器测绘的分压特性曲线与由理论公式描绘的分压特性曲线吻合度较好;④有助于培养学生的创新意识和实验素养。

另外，改进后的滑动变阻器还可以用于制流电路试验，用改进后的滑动变阻器测绘的制流特性曲线与由制流电路推导出的制流特性曲线理论公式描绘的制流特性曲线吻合度也较好。

参考文献：

[1]邵卫平.自制可视性滑动变阻器[J].中学物理教学参考，2015（7）：42-43.

[2]陈江政.自制电流数显滑动变阻器[J].中学物理教学参考，2016（5）：70-72.

[3]吴同华，张辉霞.一种新型多功能滑动变阻器[J].物理教师，2013（4）：46-47.

[4]杨述武，赵立，沈国土.普通物理实验2·电磁学部分[M].4版.北京：高等教育出版社，2007：33-39.