用滑动变阻器调节亮度

课程标准： KS3, GCSE, Sek I

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实验目的

用滑动变阻器平滑地调节灯泡的电流和亮度。

实验装置

一个 6 V 电压源、一只电流表、一个 100 Ω 滑动变阻器和一只 6 V / 3 W 灯泡串联。接入电路的是滑动变阻器从左端到滑片的那一部分；滑片位于 30% 处（30 Ω）。

实验步骤

1. 记录电流表的示数。
2. 把滑片移到最左端，再次记录电流。
3. 把滑片移到最右端。
4. 找出灯泡亮度为一半时滑片的位置。

预期结果

在 30 Ω 时，电流约为 165 mA。在左端，滑动变阻器接入的电阻接近零：电流约为 0.5 A，灯泡正常发光。在右端（100 Ω），电流降到约 55～60 mA，灯泡完全不发光，尽管电路中有电流：灯泡两端的电压不到 0.2 V，灯丝只被加热到 900 K，而可见的发光要在约 1000 K 时才开始。

问题

1. 为什么电流是平滑变化的，而不是跳跃变化的？
2. 滑动变阻器的多大一部分必须接入电路，才能使电流减半？

答案

1. 移动滑片会改变接入电路的电阻丝长度，从而改变电阻，滑片移动得多小，电阻的变化就多小，所以电流 \(I = U / R\) 也随之逐渐变化。在真实的绕线式滑动变阻器上，滑片从一匝电阻丝跳到下一匝，电阻以一匝为单位作极小的阶跃变化；在模拟器中，电阻是连续变化的。
2. 如果灯泡的电阻不变，滑动变阻器需要增加的电阻正好等于灯泡自身的 12 Ω（6 V / 0.5 A）。但灯丝随着电流减小而冷却，电阻随之下降，所以需要更大的电阻：电流减半，即约 0.24 A 时，灯泡两端只有约 1.8 V，滑动变阻器要以约 17 Ω 的电阻承担其余的电压，相当于其长度的六分之一。