利用Phyphox探究分压电路中各部分电流的变化规律

近日在研究分压电路中各部分电流与滑片移动的关系,在几何画板的协助下绘制了分压电路中各部分电流与滑片移动的关系图像。

现在利用Phyphox进行实验探究,看看理论与实际是否吻合。

创客焦作早期研究

利用几何画板探究分压电路中各部分电流的变化规律

试题回放

参考答案

AC

参考解析

在闭合电路中运用分压原理,在滑片由a滑向b的过程中,由于并联部分的阻值在增大,其余部分的阻值在减小,则并联部分的分压越来越大,故A2的读数变大。

但是A1读取的是滑动变阻器并部分的电压,由于电压和电阻同步增大,比值的增减性并不能简单确定;从特殊值法的角度看,滑片在a处时滑动变阻器的分压小于滑片在b处时滑动变阻器的分压,所以A1的示数逐渐减小。

画板模拟

在几何画板软件中模拟发现:当电源内阻取较小值时,电流表A1的读数随着Rx的增大先减小后增大;当电源内阻取较大值时,电流表A1的读数随着Rx的增大单调递减。

其中,电源内阻等于滑动变阻器总阻为两者的分界线。

实验探究

参考试题中的电路,利用电位计、定值电阻和可编程电阻板搭建实验电路,利用ESP32的“+5V”和“GND”脚为电路供电,利用“IO33”脚测量取样电阻电位,利用“IO35”脚测量变阻器滑片电位。

以“IO33”脚和“IO35”脚测得的数据为基础,计算出变阻器并联部分的电阻值Rx和电流值Ix,并利用蓝牙发送给Phyphox,由Phyphox绘制I1-Rx关系图像。

元器件参数:电位计2KΩ,取样电阻100Ω,分压电阻200Ω,电源电动势5V,电源等效内阻200Ω,4KΩ。

接通蓝牙,在Phyphox中利用蓝牙添加实验,将实验文件载入Phyphox。随后运行实验,用螺丝刀旋转电位计的旋钮,移动电位计的滑片,Phyphox将自动描绘出A1-Rx关系图像。

r=200Ω

A1-Rx关系图像

根据理论分析,曲线最低点对应的Rx电阻值为1100Ω,最低点在变阻器可变电阻之内,电流A1随着Rx的增大先减小后增大。实验与理论十分吻合。

r=4KΩ

A1-Rx关系图像

根据理论分析,曲线最低点对应的Rx电阻值为3KΩ,最低点超出变阻器可变电阻之外,电流A1随着Rx的增大单调递减。实验与理论十分吻合。

鸣谢

在学习ESP32开发板实验源代码编写和Phyphox蓝牙实验的过程中,北京市和平街一中的梅晓璇老师给予了很多无私的技术指导。

特此感谢。

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