高中物理实验中电压表及电流表的使用分析.docx
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高中物理实验中电压表及电流表的使用分析
高中物理实验中电压表及电流表的使用分析
20XX年第1期SHIYANJIA0XUEYUYlQ
高{f白理实验电压表&电流表的
谢国兴江苏省沛县中学(221600)
电压表,电流表是电学实验中最常用,最重要的
实验仪器之一,因此,正确识别电压表,电流表,合理
使用电压表,电流表将是做好电学实验的基础.
中学实验中常见的电压表,电流表均是由一个电
流计和一个定值电阻并联或串联构成的,其量程是由
所并联或串联的定值电阻决定的.如给定的电流计电
流量程为,内电阻为,当改装成电压表时,其电
压量程的表达式为(+尺)(R即为定值电阻的大
小);当改装成电流表时,其电流量程为,=(1+R).
可见,一个电流计要改装成一个量程大的电压表,可
串联一个大电阻;要改装成一个量程大的电流表,可
并联一个小电阻.通过对电压表,电流表的构造分
析.我们可以知道电压表,电流表实质上是一个以电
流计为核心的电阻系统,不仅可以作为测量仪器使
用.也可作为电阻使用,欧姆定律对其仍然适用.所
以.电压表可以串联到电路中测电流,电流表也可以
并联到电路中测电压.我们只有了解了电压表,电流
表的构成及工作原理,才能正确,合理,灵活地使用
电压表,电流表.
一
电压表,电流表使用的选择
一
些设计实验通常提供了多个电压表,电流表供
我们选择使用,选择方法是:
根据给定的电压表和
电压量程及内电阻,确定电压表的电流量程;根据
给定的电流表的电流量程及内电阻,确定电流表的
电压量程.通过对各电表(电压表,电流表的统称,
下同)量程的分析和比较,确定所需要的电压表,
电流表.由选用的电压表,电流表所要测定的物理
量及在电路中的作用确定电压表,电流表的连接方
式.并且注意实验过程要尽可能简单且便于测量和
计算.
例1从下述器材中选出合适器材,设计一个电
路来测量一个刻度盘总共有1O小格,刻度均匀但量
程未确定的电压表V.的量程要求方法简捷,有
尽可能高的精度,并能测出多组数据.待测电压表
v.,量程为23~27V,内阻El=250kO;标准电压表V2,
量程2V,内阻r2=20kO;电流表A,量程3A,内阻
?
28?
r=;=0.01Q;滑线电阻R,总阻值1kQ;稳压电源E为
30V,内阻很小;电键S;导线若干.
(1)请画出电路图,标明所用器材的代号.
(2)写出计算.的表达式,并说明式中各量分
别代表什么.
解析:
本例中提供了2个电压表和1个电流表,
可算出:
待测电压表的电流量程,.=1xl04A;标准电
压表的电流量程~=lxl0A;电流表的电压量程UA=
0.03V.
通过比较量程可看出,电流表的电流量程远大于
两电压表的电流量程;
电流表的电压量程远小
于两电压表的电压量
程,故电流表不可使
用.标准电压表与待测
电压表电压量程相差
太大,不可并联使用,图1电路图
但两电压表电流量程相同,可确定两电压表串联使
用.画出原理图如图1所示.
闭合电键S,调节滑动变阻器R,使两电压表有
明显示数.记录此时待测电压表对应的刻度n及标
准电压表的读数,有
=(为每一最小刻度对应的电压值),
rlr2
则,UIm-.
nF2nF2
二,电压表,电流表量程的选择
电压表,电流表在使用过程中要注意量程的选
择,测量中要求电表指针作大角度的偏转,以减少测
量时的相对误差,提高实验测量的精度.因此,在选
择电表量程时.在量程够用的情况下选用小量程.然
而在许多实验中,尽管有的电表量程够用,但由于测
量时电表指针不能作大角度的偏转,给实验带来较大
误差,故这样的电表不能使用.而对于一些量程不够
的电表.如果采取一些控制措施,使它们的指针摆动
既不超过其量程,同时又作大角度的偏转,则能使实
验顺利进行,且可提高实验的精度,这样的电表可以
拗釉仪嚣20XX年第l期
作为测量仪器使用.也就是说,在某些实验中,我们
可能会舍弃量程够用的电表,而选用量程不够用的
电表,以提高实验测量的精度.
例2用以下器材测量一待测电阻R的阻值
(900~1000Q):
电源E,具有一定内阻,电动势约为
9.0V;电压表Vl,量程为1.5V,内阻/'1=750Q;电压
表V:
量程为5V,内阻r2=2500Q;滑线变阻器R,最
大阻值约为100Q;单刀单掷开关S;导线若干.
(1)测量中要求电压表的读数不小于其量程的
I/3,试画出测量电阻R的一种实验电路原理图(原
理图中的元件要用题中相应的英文字母标注).
.
(2)若电压表V的读数用表示,电压表V的
读数用表示,则由已知量和测得量表示的公
式,即——.
解析:
该实验中有2个电压表,但无电流表,由伏
安法测电阻的原理可知,其中必有一个电压表作为电
流表使用.由于电压表内阻已知,则流过电压表的电流
可求.2个电压表的电流量程分别为:
I1=2A,/2=2A.
可分为2种情况考虑:
第1种,电压表作为电流表使用且外接.
由于流过外接电压表的电流大,电压表指针偏转
大,若电压表V.外接,当电压表V.指针满偏时,则比
较电压表V:
与待测电
阻的关系可知,电压表
V指针偏转角度不足
满偏的1,3;若电压表V
外接,当电压表V指针
满偏时.则比较电压表
V与待测电阻的关系图2电路图
可知,电压表V指针偏转角度超过满偏的1/2.即发
生大角度的偏转,故电压表V:
可作为电流表使用,
且电压表V指针先达满偏,电路图如图2所示,测
量值为:
.
I-/2rl--U1F2
第2种,电压表作为电流表使用且内接.
内接电压表所承担
的电压仅仅是并联电压
的一部分,电压表读数较
小,因此,电压表v.可作
为内接的电流表使用.
电路图如图3所示.测
量值为:
R由
UI
电阻分配关系可知,当
电压表V指针满偏时,
卜
厂二一L————__J
R
I
图3电路图
电压表V,指针作大角度的偏转.
三,电压表,电流表测量数值读数的选择
电压表,电流表作为一种测量仪器,测量时必须
准确读出其测量数值.而物理量的测量值通常是近
似值,是由准确数字加一位估读数字组成的.那么,
在哪一位估读?
如何估读?
即如何确定测量量的有
效位数历来是高考重点考查的内容之一,我们必须要
高度重视.当基本单位为1时,读数时是在基本单位
后估读一位,即读到基本单位的十分位.当相邻两
基本单位之间还有9条刻度线(即最小刻度为0.1)
时,应该在最小刻度后估读一位,即读到基本单位
的百分位;当相邻两基本单位之间只有I条刻度线
(即最小刻度为0.5)或两基本单位之间只有4条刻
度线(即最小刻度为0.2)时,只要读到基本单位的十
分位即可.如图4所示,基本单位为1,每一小格为
0.1,读数为2.30;如图5所示,基本单位为0.2,每一
小格为O.04,读数为O.28,即读到基本单位的十分位
上,切不可读成0.280.
234
u【Ju山u山uLJuu【JLJIJ
t
图4读数示意图
0.20.4
uuuLJllLjuJJJI
t
图5读数示意图
四,电压表,电流表连接方式的选择
在伏安法测电阻的实验中,电流表是内接还是
外接,是要明确判定的.我们的判定方法是:
当电压
表内阻远远大于待测电阻阻值时,电流表外接;当电
流表内阻远远小于待测电阻阻值时,电流表内接.但
此判定方法是有条件的,即只知电表内阻的大约范
围而不知电表内阻的确定值,其测量值也只是个欠
准值.当电表内阻给定时,上述判定方法不再适用,
而是通过对理论公式的修正,寻找出符合实际的实
验公式,其测量值是一个准确值.如当电压表内阻已
知时,不论电压表的内阻大小如何,电流表均外接,
其修正公式为:
了,其中U,,为电压表,电流
l—U,nV
表读数,为电压表内阻,测量值为准确值.当电流
表内阻已知时,不论电流表内阻大小如何,电流表均
内接,其修正公式为:
一,R为电流表内阻,测
1
量值也是准确值.因此,电流表是内接还是外接一定
要注意题目中给出的条件,严防思维定势给解题带
来的误判,误导.
五,电压表,电流表的改装
有一类实验,给定的电压表或电流表的量程达不
?
29?
20XX年第1期SHIYANJIAOXUEYUYIQ
在日光灯电路中,镇流器主要起产生
瞬间高压和降压限流的作用,当启辉器氖
管内的动触片与静触片由接触到突然分
离时镇流器即可产生瞬间高压.对此物理
教材做了简要的分析,但如何通过实验来
简单说明呢?
在教学中,笔者设计了一个
简单易操作的实验电路(图1),并以此作
为师生合作探究实验原理的教学活动.在
教学实践中,笔者开展这一实验活动取得
了良好的效果.
一
实验器材
40W镇流器1个,5号电池1节,电
池盒1个,门限电压(死区电压)为2.1V
的发光二极管2只,按钮开关1个,导线
若干.
二,实验电路
实验电路如图1所示.
I1.一
LEDI
l'
L
———,,r,,,——一
K
.1
图1实验电路
三,实验方法
当按钮开关闭合时,2只二极管LED及LED2均
到测量所需要的量程,但实验室中只能提供这样的电
表,这时,教师应该考虑电表是否需要改装.电压表,
电流表的改装方法与电流计改装成电压表,电流表的
方法类似.电表的改装通常隐含在题目中,是需要教
师通过审题去分析,判定的.电表一旦需要改装,必
定离不开定值电阻,因此,在给定的实验器材中,一
旦发现有定值电阻存在,首先要判定实验中是否需要
定值电阻.如果要用到定值电阻,那么定值电阻在电
路中起什么作用呢?
是用于降压限流,还是用于电表
改装?
从而挖掘出电表是否需要改装这个隐含过程.
例3做"测定电池电动势和内电阻"的实验.现有
下列器材:
干电池一节;电流表A(量程0~0.6A~3A);
微安表G(量程O~500A,内阻200Q);滑线电阻R
(0~l5n,允许最大电流1A);定值电阻4kQ.
?
3O?
不发光.而当按钮开关迅速切断电源时.
我们可清晰地观察到其中的LED发光二
极管发光闪烁一次,说明镇流器产生了瞬
间高压.
四,原理分析
当按钮开关迅速闭合时,镇流器电感
线圈L中产生自感电动势,电动势方向与
电源电动势方向相反,自感电动势方向与
电感线圈中的电流方向相反,电感线圈的
左端为正电位,右端为负电位.自感电动
势阻碍了电流的立即增大,在开关闭合的
瞬间自感电动势和电源电动势均使LED
正向偏置,而使LED2反向偏置不导通.虽
然LED.正向偏置,但自感电动势的值小
于二极管的门限电压(死区电压),因此,
LED.也不能导通.
当迅速切断电源时,电感线圈中产生
一
个较大的自感电动势附加在2只二极管
上,自感电动势方向与电感线圈中的电流
方向相同,即电感线圈的左端为负电位,右
端为正电位.在此瞬间.这一自感电动势使
LED.反向偏置不导通,而使LED正向偏置且正向电
压大于二极管的门限电压,因此,LED发光闪烁一次.
如果反复通断按钮开关,我们就会观察到LED频闪
发光,而LED.始终不发光,其原理同前所述.
五,实验优点
此实验取材容易,效果明显.对于学生理解日光
灯电路工作原理很有帮助.
一—-
+一-+--—--—?
-—+--—-
(1)电流表应选用什么量程?
(2)画出实验用电路图.
解析:
由滑线变阻器允许最大电流为1A,可确
定电流表量程为0~0.6A.估算电路的最小电阻:
==2.5n.滑线电阻R的阻值为0-15n,故不
U.0
需要定值电阻降压限流.因为该实验中无电压表,而
给定的微安表电压量
程为:
-0.1V<1.5V,
所以必存在电表改装,
即把微安表G改装成
电压表.改装后的电压
表量程为:
U=2.1V>I.5
V.画出的电路图如图
6所示图6电路图
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- 高中物理 实验 电压表 电流表 使用 分析