王浩宇 馬姝哲 曲海濤

摘? ?要：根據(jù)實(shí)驗(yàn)室中常見多用電表的原理，設(shè)計(jì)出了易于高中學(xué)生認(rèn)知多用電表原理的簡化電路，并將其制作成示教板用于輔助日常教學(xué)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。

關(guān)鍵詞：多用電表;歐姆表;示教板;自制教具

1? ? 問題的提出

多用電表是電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的常用儀表，“多用電表原理”是高中物理電學(xué)部分的重要內(nèi)容。由于多用電表的實(shí)際電路比較復(fù)雜，為了降低學(xué)習(xí)難度，人教版教材把多用電表的原理電路簡化為如圖1所示的電路[1]。利用該電路認(rèn)識多用電表的原理時，學(xué)生發(fā)現(xiàn)電路中有兩個電源，而實(shí)驗(yàn)室中常見的多用電表只有一個電源，這顯然與實(shí)際情況不符[2-4]。同時，其歐姆擋電路的“倍率轉(zhuǎn)換”和“歐姆調(diào)零”的原理與實(shí)際電表并不一致，這給學(xué)生對多用電表原理的深入學(xué)習(xí)設(shè)置了障礙。鑒于此，筆者通過查閱資料并實(shí)際拆解電表，掌握了實(shí)驗(yàn)室中常見的磁電式多用電表的原理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出更加貼合實(shí)際的多用電表簡化電路，并將其制作成示教板用以輔助學(xué)生的學(xué)習(xí)。

2? ? 電路的設(shè)計(jì)

筆者親自動手拆解了實(shí)驗(yàn)室中廢舊的J0401型多用電表，了解了其內(nèi)部構(gòu)造。查閱相關(guān)資料，理解了實(shí)驗(yàn)室中常見的J0401、J0411等磁電式多用電表的原理[5-7]。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了如圖2所示的多用電表原理的簡化電路。通過調(diào)節(jié)選擇開關(guān)S可以實(shí)現(xiàn)檢流計(jì)、直流電流表、直流電壓表和歐姆表的功能轉(zhuǎn)換，通過改變接入對應(yīng)電路的電阻可以實(shí)現(xiàn)不同量程或倍率的切換。

2.1? ? 檢流計(jì)與電流擋

電表的表頭選用滿偏電流為200 μA、內(nèi)阻為500 Ω的磁電式電表。將一個阻值為R1=233 Ω的定值電阻和最大阻值為Rp=100 Ω的電位器串聯(lián)后與表頭并聯(lián)，則原表頭變?yōu)闈M偏電流Ig=500 μA、內(nèi)阻Rg=200 Ω的新表頭。當(dāng)選擇開關(guān)S旋至“G/A”擋，“電阻接口A”不接分流電阻時，該電表可作為檢流計(jì)，其測量范圍為-250 μA～+250 μA。通過改變接入“電阻接口A”的分流電阻RA的阻值，可實(shí)現(xiàn)不同量程的轉(zhuǎn)換。根據(jù)量程Im=Ig，可計(jì)算出不同量程對應(yīng)接入的分流電阻阻值，如表1所示。

2.2? ? 電壓擋

當(dāng)選擇開關(guān)S旋至“V”擋時，可作為直流電壓表。通過改變接入“電阻接口V”的分壓電阻RV的阻值可實(shí)現(xiàn)不同量程的轉(zhuǎn)換。根據(jù)量程Um=Ig（Rg+RV），可計(jì)算出不同量程對應(yīng)接入的分壓電阻阻值，如表2所示。

2.3? ? 歐姆擋

當(dāng)選擇開關(guān)S旋至“Ω”擋時，可作為歐姆表。歐姆擋電路中的電源為一節(jié)干電池，其電動勢E=1.5 V，定值電阻R2=2.2 kΩ，此時其中值電阻接近2.4 kΩ。通過改變接入“電阻接口Ω”的電阻來改變電表的中值電阻阻值，可實(shí)現(xiàn)歐姆表不同倍率之間的切換。因電位器Rp的阻值變化對中值電阻的阻值影響很小，可通過改變電位器Rp的阻值來實(shí)現(xiàn)歐姆表的歐姆調(diào)零。根據(jù)歐姆表倍率切換的原理[3-4]和電阻的串、并聯(lián)知識，計(jì)算出不同倍率對應(yīng)接入“電阻接口Ω”的電阻阻值，如表3所示。

3? ? 多用電表示教板的制作

3.1? ? 所需材料

亞克力板（白色），表頭，表盤，定值電阻，電位器，電阻箱， 5號干電池，電池盒，表筆，選擇開關(guān)，插拔式接線柱，導(dǎo)線若干，自噴漆。

3.2? ? 制作方法

3.2.1? ? 制作示教板正面

利用CorelDRAW軟件繪制出圖2所示的電路，用激光雕刻機(jī)在切割好的亞克力板上雕刻出電路線。為了對相應(yīng)功能的電路加以區(qū)分來獲得更好的演示效果，噴涂相應(yīng)電路線時選用了不同顏色。在相應(yīng)位置鉆孔，將電阻、電位器、電池盒、插拔式接線柱、選擇開關(guān)等部件安裝固定，在示教板背面用導(dǎo)線將電路連通，成品效果如圖3（a）所示。

3.2.2? ? 制作示教板側(cè)面

為了方便學(xué)生探究和體驗(yàn)電表改裝的過程，制作示教板側(cè)面如圖3（b）所示。學(xué)生可通過分析計(jì)算，調(diào)節(jié)電阻箱阻值以改變接入對應(yīng)電路的電阻，實(shí)現(xiàn)改變量程或倍率的目的。

3.2.3? ? 制作表頭和表盤

該示教板使用的表頭和表盤如圖4所示。同時提供空白表盤，學(xué)生可根據(jù)需要自主繪制表盤，以滿足學(xué)生體驗(yàn)電表改裝過程的需要。

3.2.4? ? 制作電阻插件

為了演示的方便，制作電阻插件如圖5所示。利用激光雕刻機(jī)將亞克力板進(jìn)行切割鉆孔，將相應(yīng)量程或倍率的電阻固定到插件上，貼上標(biāo)簽。在示教板的電阻接口插入相應(yīng)的電阻插件，即可實(shí)現(xiàn)不同量程或倍率的轉(zhuǎn)換。

4? ? 使用反饋

4.1? ? 課堂教學(xué)演示

課堂教學(xué)中，利用此示教板進(jìn)行直觀的功能轉(zhuǎn)換、倍率切換、歐姆調(diào)零等演示，促進(jìn)了學(xué)生對多用電表原理的認(rèn)識和理解。該示教板電路簡單、功能齊全、貼合實(shí)際，課堂示教效果很好。

4.2? ? 學(xué)生體驗(yàn)探究

以此示教板為平臺，引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)分析計(jì)算、量程或倍率切換、繪制表盤、電表校準(zhǔn)等電表改裝的真實(shí)環(huán)節(jié)，通過體驗(yàn)或探究幫助學(xué)生建構(gòu)多用電表的原理模型，將知識重現(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)橹R的重演。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理3-1[M].北京：人民教育出版社，2010：65.

[2]李池剛.對教材 “多用電表 ”一節(jié)中一幅插圖的疑問與探討[J].物理教師，2011，32（8）：12-15.

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[4]江秀梅，劉大明.歐姆表內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)和換擋原理的分析[J].物理教學(xué)探討，2013，31（8）：62-63.

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[6]孫克文.教學(xué)用電表的維修（五）[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，1998，14（6）：32-35.

[7]于振，朱廉誠.J0401型演示用大型電表[J].物理實(shí)驗(yàn)，1985，5（1）：41-43.（欄目編輯? ? 王柏廬）