金愛(ài)兵　侯金俊

(江蘇省盱眙中學(xué),江蘇　淮安　211700)

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·實(shí)驗(yàn)研究·

多用電表學(xué)習(xí)中幾個(gè)困惑的解釋①

金愛(ài)兵侯金俊

(江蘇省盱眙中學(xué),江蘇淮安211700)

本文根據(jù)多用電表的原理和實(shí)際電路,對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)和使用多用電表中的常見(jiàn)困惑進(jìn)行釋疑.

多用電表;原理;釋疑

高中物理教材要求學(xué)生能熟練運(yùn)用多用電表,高考也經(jīng)?？疾槎嘤秒姳?在練習(xí)使用多用電表的過(guò)程中,學(xué)生經(jīng)常會(huì)遇到不少困惑.

1　歐姆表如何實(shí)現(xiàn)換檔？

圖 1

圖 2

在高中物理選修3-1“多用電表的原理”一節(jié)中,給出了簡(jiǎn)單的歐姆表原理圖和多量程多用電表示意圖(如圖1、圖2),學(xué)生會(huì)有以下疑問(wèn):歐姆表?yè)Q檔是如何實(shí)現(xiàn)的？難道就是更換不同的電源？歐姆調(diào)零就是調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器？改變電路的總電阻是使電流計(jì)指針滿偏？

教材中介紹的原理圖和示意圖雖然有利于學(xué)生掌握基本原理,但難以用它來(lái)解釋歐姆表的換檔和調(diào)零,我們必須了解真正的多用電表歐姆檔電路，圖3是J0411型學(xué)生多用電表歐姆檔部分的電路簡(jiǎn)化圖.

圖3

所以,歐姆檔由小量程向大量程轉(zhuǎn)換時(shí),內(nèi)電阻的增大是通過(guò)變換、并聯(lián)阻值更大的電阻實(shí)現(xiàn)的,而不是通過(guò)串聯(lián)更大電阻來(lái)增大內(nèi)阻的.

2歐姆表表筆短接后由小倍率轉(zhuǎn)成大倍率時(shí)指針為何右偏？

在學(xué)生實(shí)驗(yàn)課上,有位學(xué)生發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人困惑的問(wèn)題:當(dāng)他將選擇開(kāi)關(guān)從×1檔調(diào)到×10檔,并將兩表筆短接時(shí),發(fā)現(xiàn)電表的指針竟然偏向0刻度的右側(cè).但是根據(jù)多用電表的工作原理,當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)從×1檔調(diào)到×10檔時(shí),多用電表的內(nèi)阻將增大,若將兩表筆短接,根據(jù)歐姆定律,電流應(yīng)減小,電表的指針應(yīng)該偏向0刻度的左側(cè)才對(duì),究竟是怎么回事？

我們要注意以上兩個(gè)電流的區(qū)別和聯(lián)系.表頭顯示的電流應(yīng)為Ig,而并非通過(guò)電源的電流I.當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)“×1”檔換至“×10”檔時(shí),由于R′的值變大,I變小,引起電源的端電壓U變大.又因?yàn)閁的值變大,Ig是變大的，這就是歐姆表?yè)Q大量程檔后,短接調(diào)零前表頭指針偏右的原因.

3　歐姆表重新調(diào)零后測(cè)量是否準(zhǔn)確？

可以認(rèn)為歐姆表的電阻是以中值電阻為單位的,在圖3的電路中,設(shè)計(jì)好×1k檔后,切換到其它檔時(shí),若不改變調(diào)零電阻的阻值,則當(dāng)紅黑表筆短接時(shí),流過(guò)電流計(jì)的電流將不等于滿偏電流,故應(yīng)該重新調(diào)零.但這種調(diào)節(jié)肯定會(huì)改變?cè)摍n的內(nèi)阻(即中值電阻),那么這種調(diào)節(jié)豈不是會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性？

我們以×1檔為例來(lái)說(shuō)明調(diào)零電阻對(duì)測(cè)量值的影響(取電源內(nèi)阻r=0.5Ω).各電阻的數(shù)據(jù)如圖4中所示,RJ是調(diào)零電阻,當(dāng)觸頭從上端移至下端的過(guò)程中,按照?qǐng)D中數(shù)據(jù)計(jì)算,AB間的最大電阻為14.08797Ω,AB間的最小電阻為14.0875Ω,由調(diào)節(jié)調(diào)零電阻引起該檔內(nèi)電阻的變化最大值為0.00047Ω.由此可見(jiàn),由于調(diào)節(jié)調(diào)零電阻而引起總內(nèi)電阻的變化不大,即對(duì)中心值電阻幾乎沒(méi)有影響,而歐姆表量程的設(shè)計(jì)都以中間刻度為標(biāo)準(zhǔn),然后分別求出相當(dāng)于各個(gè)被測(cè)電阻的刻度值.可見(jiàn),調(diào)節(jié)調(diào)零電阻時(shí),只要能使指針調(diào)到零刻度,測(cè)量值還是比較準(zhǔn)確的.

圖4

由此可見(jiàn),用多用電表測(cè)電阻時(shí),選擇檔位后,歐姆檔的內(nèi)阻就已經(jīng)確定,歐姆調(diào)零時(shí)明顯改變流過(guò)表頭的電流,使指針滿偏,指向零歐姆處,而不是改變電路的總電阻.設(shè)置調(diào)零電阻是為了當(dāng)電源的電動(dòng)勢(shì)減少、內(nèi)阻增大時(shí)，保證指針能調(diào)到0刻度線,使多用電表能正常工作.每次換檔后調(diào)節(jié)調(diào)零電阻不會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性.

4　多用電表的交流檔小電壓刻度為何不均勻？

在觀察多用電表刻度盤(pán)時(shí)學(xué)生常會(huì)產(chǎn)生一些困惑:測(cè)交流電壓大于2.5伏的刻度線是均勻的,而0～2.5V的刻度線不均勻,直流電壓的測(cè)量怎么不存在這樣的問(wèn)題？

測(cè)交流電壓低壓檔的刻度線是不均勻的,且電壓越小,左側(cè)的刻度越不均勻(如圖5).這是因?yàn)?學(xué)生實(shí)驗(yàn)使用的多用電表是由磁電式電流計(jì)改裝的,磁電式電流計(jì)只允許通過(guò)直流電,要測(cè)量交流電的電流和電壓,必須經(jīng)過(guò)整流元件二極管將交流變?yōu)橹绷?因?yàn)槎O管是非線性元件(圖6為某一鍺管的特性曲線),二極管的正向電阻會(huì)隨電流(電壓)變化而變化,尤其是U、I越小時(shí)的非線性越明顯,即電阻越大.由U=IR可知,整流系統(tǒng)的電流I與U不成正比.而指針偏角θ與電流有效值I成正比,所以當(dāng)測(cè)交流電流時(shí),其刻度是均勻的；測(cè)交流電壓時(shí),因?yàn)閁與I不成正比,故U與指針偏角θ也不成正比,故交流電壓的刻度就不均勻,U越小時(shí),正向電阻R就越大,電壓減小比電流減小快,導(dǎo)致左側(cè)電壓的刻度比較密集.

圖5

圖6

如果交流電壓表的量程越大,表頭串聯(lián)的分壓電阻越大,其阻值會(huì)遠(yuǎn)大于二極管的正向電阻.例如,對(duì)鍺二極管來(lái)說(shuō),若待測(cè)電壓為10V,二極管分壓只占2%左右；若待測(cè)電壓是50V,二極管分壓只占0.4%左右.對(duì)“10V檔,2.5V檔”,起始刻度不均勻,就是因?yàn)槎O管的正向壓降的影響所致.后邊的刻度基本均勻,是因?yàn)槎O管的正向壓降影響小了,到50V以上的交流檔,二極管的正向壓降影響就根本顯示不出來(lái),整個(gè)表盤(pán)刻度就全部是均勻的了.

因此,用磁電式電流計(jì)改裝的較大量程交流電壓表刻度是均勻的,低量程交流電壓表的刻度是不均勻的.

5用歐姆表的不同檔測(cè)二極管的電阻為何相差很大?

另一位學(xué)生在用多用表測(cè)某個(gè)二極管的正向電阻時(shí),發(fā)現(xiàn)選擇“×1”檔,測(cè)得的阻值為9Ω；選擇“×10”檔,測(cè)得的阻值約為55Ω；選擇“×100”檔,測(cè)得的阻值約為450Ω；選擇“×1k”檔,測(cè)得的阻值約為3000Ω.學(xué)生感到疑惑:為什么選擇不同的歐姆檔,測(cè)出的同一個(gè)二極管的正向電阻值會(huì)不同？

選擇不同的歐姆檔,測(cè)出的同一個(gè)二極管的正向電阻值會(huì)不同,問(wèn)題還是在于二極管是非線性元件,用多用電表歐姆檔測(cè)二極管的正向電阻時(shí),選擇不同檔測(cè)量,加在二極管上的正向電壓是不同的.以下是筆者用J0411型多用電表測(cè)量某二極管的正向電壓:選擇“×1k”檔,測(cè)得二極管上的正向電壓為0.5V；選擇“×100”檔,測(cè)得的正向電壓為0.7V；選擇“×10”檔,測(cè)得的正向電壓為0.85V；選擇“×1”檔,測(cè)得的正向電壓為1.1V.可見(jiàn)檔位越高,正向電壓越低.從二極管的特性曲線可知,即正向電壓越小,二極管的非線性就越明顯,電阻值就越大.

在實(shí)際教學(xué)中,只要求學(xué)生對(duì)儀表進(jìn)行簡(jiǎn)單操作,往往會(huì)給學(xué)生帶來(lái)不少困惑.如果能在歐姆表原理圖和多量程多用電表示意圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析歐姆檔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和二極管的特性曲線,會(huì)對(duì)多用電表原理的理解更加深刻.

[1] 環(huán)晴.多用電表歐姆檔內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探究[J].物理通報(bào),2006,(4).

[2] 陳呂壽,李艷軍.多用電表歐姆調(diào)零原理分析[J].物理教師,2007,(2).

[3] 陳金苗.使用多用電表的幾個(gè)疑點(diǎn)解析[J].物理通報(bào),2010,(4).

①本文系江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題“用STEM教育理念指導(dǎo)蘇北普高學(xué)生科技實(shí)踐活動(dòng)的研究”(編號(hào)：B-b/2015/02/029)階段性研究成果.