四川

(作者單位：四川省成都市石室中學(xué))

電流表、電壓表、歐姆表都可看成一個(gè)可讀數(shù)的定值電阻

電學(xué)實(shí)驗(yàn)一直是教師和學(xué)生最為重視也最為頭痛的高考復(fù)習(xí)模塊，尤其是這幾年的高考似乎對萬用表情有獨(dú)鐘，每次考查的方式均有不同，并且答案還有一些自相矛盾的地方，這讓教師和學(xué)生痛苦不堪，為此筆者特意總結(jié)了這些題的異同來和同行交流。

一個(gè)表頭(靈敏電流表)可以改裝成大量程的電流表，可以改裝成大量程的電壓表，也可以改裝成單倍率歐姆表，這些表共用同一個(gè)表頭，共享同一個(gè)表盤，本質(zhì)上都可以看為自身表盤可以讀數(shù)的定值電阻。

一、磁電式電流表表頭

磁電式電流表表頭(以下簡稱表頭)又稱小量程安培表，如圖1所示。表頭由永磁體、鐵芯、線圈、螺旋彈簧、指針、刻度盤等組成。當(dāng)線圈通入電流時(shí)，線圈受到安培力作用而轉(zhuǎn)動(dòng)，指針偏轉(zhuǎn)角度與電流成正比，偏轉(zhuǎn)角與電流一一對應(yīng)，所以電流表的刻度是均勻的，電流越大，指針偏轉(zhuǎn)越大；電流反向，指針偏轉(zhuǎn)也反向。一般實(shí)驗(yàn)室的表盤都是向右偏轉(zhuǎn)，為實(shí)驗(yàn)方便，規(guī)定使指針向右偏轉(zhuǎn)時(shí)電流的流入端為紅表筆。電流不能太大，如果太大可能把指針撞彎或者撞斷，并且線圈產(chǎn)生的熱量也可能把線圈表面的絕緣層燒壞導(dǎo)致燒毀電流表。同一個(gè)表頭的表盤刻度線是不能改變的，能改變的只是每一刻度線對應(yīng)值的大小。

二、改裝成大量程的電壓表

圖2

三、改裝成大量程的電流表

圖3

【例1】圖4是一個(gè)量程為I1=1 mA和I2=10 mA的雙量程電流表，Ig=0.5 mA，Rg=200 Ω。求：

圖4

(1)A、B接線柱是________(填“紅表筆”或“黑表筆”)；

(2)A、B接線柱是電勢________的一端(填“更高”或“更低”)；

(3)量程更大的接線柱是________(填“A”或“B”)；

(4)求R1和R2。

【解析】(1)(2)電表的接線柱一般是“+”和“-”，從正接線柱流入，即A、B接線柱為紅表筆，電勢更高；(3)同樣一個(gè)表頭，并聯(lián)電阻越小，量程越大，故量程更大的接線柱是A；(4)根據(jù)并聯(lián)電壓相等，接B有Ig·Rg=(I1-Ig)·(R1+R2)，接A有Ig·(Rg+R2)=(I2-Ig)·R1，聯(lián)立兩方程得R1=20 Ω，R2=180 Ω。

【例2】電壓表Vx由電流表G與電阻Rx串聯(lián)而成，如圖5。

甲

乙

(1)若要校表，電路圖采用________(填“甲”或“乙”)；

(2)若在校表中發(fā)現(xiàn)此電壓表的讀數(shù)比準(zhǔn)確值略小，采用下列哪種措施可以改進(jìn)

( )

A.在Rx上并聯(lián)一只比Rx小得多的電阻

B.在Rx上串聯(lián)一只比Rx小得多的電阻

C.在Rx上并聯(lián)一只比Rx大得多的電阻

D.在Rx上串聯(lián)一只比Rx大得多的電阻

E.________________________

【解析】(1)校表是指改裝后的表與標(biāo)準(zhǔn)表每一刻度一對一校對，要從零開始，故選乙圖的分壓電路；(2)改裝后的電壓表的讀數(shù)比準(zhǔn)確值略小，本質(zhì)上是流過表頭線圈的電流略小，改裝后的表與標(biāo)準(zhǔn)表是并聯(lián)，電壓相等，所以Rx偏大，故選C；設(shè)置選項(xiàng)E的目的是提升學(xué)生思維，比如可以換一個(gè)比Rx略小的電阻或換個(gè)表頭或重新標(biāo)注表頭的每一刻度值。

四、改裝成單倍率的歐姆表

圖6

1.轉(zhuǎn)換刻度

為降低教學(xué)難度，可以列舉等間距的電流值來推算相應(yīng)的電阻值。

(1)當(dāng)I=Ig時(shí)，Rx=0，在滿偏電流Ig處標(biāo)為“0”(歐姆調(diào)零)；

(2)當(dāng)I=0時(shí)，Rx→∞，在I=0處標(biāo)為“∞”(機(jī)械調(diào)零)；

圖7

通過這些數(shù)據(jù)及計(jì)算，一、可以發(fā)現(xiàn)電流均勻變化時(shí)電阻不均勻變化；二、可以發(fā)現(xiàn)左密右疏；三、可以深化中值電阻的概念；四、可以強(qiáng)化歐姆表的原理；五、可以加深之前對電流表和電壓表的改表及表盤刻度之間的轉(zhuǎn)化。每年講完這些計(jì)算后，學(xué)生收獲都很大。

表頭的刻度值轉(zhuǎn)換成歐姆值后可以直接讀出電阻。歐姆表的使用中最關(guān)鍵的兩步，一是調(diào)零，二是換擋。

2.歐姆表調(diào)零的目的

歐姆表本質(zhì)是讀電流，通過歐姆定律換算成電阻。所以電阻是否準(zhǔn)確本質(zhì)就是流過表頭的電流是否準(zhǔn)確。機(jī)械調(diào)零的目的是使指針的讀數(shù)就是流經(jīng)歐姆表電流的讀數(shù)，如果開始時(shí)指針沒指到電流的零刻度線，表頭的讀數(shù)應(yīng)是在指針直接讀數(shù)的基礎(chǔ)上加上或減去之前的示數(shù)，這樣就很麻煩；使流過表頭的電流等于滿偏電流的過程就是歐姆調(diào)零?？傊?，兩調(diào)零的目的就是校準(zhǔn)表頭的電流。

3.歐姆表換擋的目的

歐姆表的刻度是零到無窮大，那測量過程中為什么要換倍率呢？比如當(dāng)待測電阻Rx=RΩ，倍率選×1；在不換倍率的情況下，如果Rx=10RΩ或Rx=100RΩ或Rx=1 000RΩ時(shí)，流過表頭的電流會(huì)很小，指針的偏角基本上都很小，讀數(shù)誤差很大，所以為了讀數(shù)準(zhǔn)確，要使指針指向中間位置附近，即歐姆表的準(zhǔn)確范圍是在中值電阻附近。換倍率的目的就是通過改變中值電阻的大小來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確范圍的放縮。

4.換擋的兩種方式

【例3】將G表改裝成兩種倍率(如“×1”、“×10”)的歐姆表?，F(xiàn)有兩種備選電路，如圖8甲和圖8乙所示，則圖________(選填“甲”或“乙”)為合理電路；另一種電路不合理的原因是____________________，在合理的電路中，當(dāng)開關(guān)S合向________端，這時(shí)的歐姆表是較大的倍率擋。

甲

乙

圖9(甲)、(乙)就是分別通過改變電源電動(dòng)勢E和改變干路中的電流I來改變倍率的。

甲

乙

5.測量誤差

歐姆表的讀數(shù)是通過表頭電流一一對應(yīng)過來的，因此測量誤差本質(zhì)上是看流過表頭的電流大小，如果流過表頭的電流偏大，則測量值偏?。蝗绻鬟^表頭的電流偏小，則測量值偏大。

【例4】(1)如果電源長期未用，電動(dòng)勢基本不變，內(nèi)阻增大，但此表仍能調(diào)零，這將導(dǎo)致測量的結(jié)果________。(填“偏大”“偏小”或“相等”)

(2)若該歐姆表使用一段時(shí)間后，電源電動(dòng)勢變大，內(nèi)阻變大，但此表仍能調(diào)零，這將導(dǎo)致測量的結(jié)果________。(填“偏大”“偏小”或“相等”)

(3)若歐姆表進(jìn)行歐姆調(diào)零時(shí)不慎調(diào)零不足，這將導(dǎo)致測量的結(jié)果________。(填“偏大”“偏小”或“相等”)

【解析】歐姆表的內(nèi)阻是RΩ=r+Rg+R，它由三部分構(gòu)成，使用過程中電源內(nèi)阻的變化不會(huì)影響歐姆表的內(nèi)阻，因?yàn)槿绻鹯增大，可以通過減小調(diào)零電阻R來抵消r帶來的影響，反之亦然，因此真正影響歐姆表內(nèi)阻的只有電源電動(dòng)勢。

(1)當(dāng)電源電動(dòng)勢不變時(shí)，RΩ不變，流過表頭的電流I也不變，故測量值準(zhǔn)確。

(2)當(dāng)電源電動(dòng)勢變大時(shí)，Ig不變，RΩ變大，流過表頭的電流I變大，故測量值偏小。

(3)歐姆調(diào)零時(shí)不慎調(diào)零不足，測量過程中流過表頭的電流偏小，故測量值偏大。

五、總結(jié)