指針式萬用表在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的具體應(yīng)用

　　摘 要： 本文針對(duì)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生初次使用萬用表出現(xiàn)的常見問題，分析了萬用表引入的利弊與注意事項(xiàng)。
　　關(guān)鍵詞： 指針式萬用表 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 應(yīng)用
　　
　　1.引言
　　萬用表作為最常見的便攜式電子測(cè)量儀表，價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大，在生產(chǎn)生活和教學(xué)科研中應(yīng)用廣泛［１－４］。理工科大學(xué)生，有必要了解萬用表的工作原理并熟練掌握其基本應(yīng)用。萬用表根據(jù)其工作原理和顯示方式不同可分為數(shù)字式和指針式，數(shù)字式萬用表雖然讀數(shù)方便，但測(cè)量和顯示都需要電池或電源，指針式萬用表雖然讀數(shù)稍顯復(fù)雜，但除了電阻、三極管電流放大倍數(shù)等個(gè)別功能外，絕大部分功能不需要電源即可完成，更加低碳環(huán)保。指針式萬用表內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，成本低，維護(hù)簡單［４］，更適合實(shí)驗(yàn)室廣泛使用，本文主要分析了指針式萬用表在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用。
　　2.萬用表與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)
　　大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)尤其是電磁學(xué)部分的實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常需要測(cè)量直流電壓電流等電路參數(shù)，采用磁電系的伏特表安培表精確度高、操作簡單，但也存在體積大、量程范圍少、功能單一等缺點(diǎn)。隨著擴(kuò)招后學(xué)生人數(shù)的增加，實(shí)驗(yàn)儀器使用頻率也隨之增加，伏特表安培表難以滿足廣大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)的需求。體積小、量程范圍大、功能齊全、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的萬用表也被應(yīng)用到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中。然而，由于中學(xué)階段實(shí)踐性學(xué)習(xí)的缺乏或是中學(xué)學(xué)校客觀條件的限制，即使是理工科學(xué)生，在低年級(jí)的階段，沒有進(jìn)行電子工藝實(shí)習(xí)等實(shí)踐環(huán)節(jié)之前，除了極個(gè)別學(xué)生，由于指針式萬用表相對(duì)功能單一的伏特表安培表而言，操作和讀數(shù)比較復(fù)雜，大部分學(xué)生并不能熟練使用指針式萬用表。
　　大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，有必要初步了解指針式萬用表的結(jié)構(gòu)原理，掌握指針式萬用表的使用方法（主要針對(duì)MF47型萬用表的直流電壓和電流擋）和安全使用注意事項(xiàng)。
　　3.萬用表的結(jié)構(gòu)與接法
　　指針式萬用表由表頭、測(cè)量電路和轉(zhuǎn)換開關(guān)組成。表頭是一只高靈敏度的磁電系直流電流表，萬用表的主要性能指標(biāo)取決于表頭的性能。表頭的靈敏度是指表頭指針滿刻度偏轉(zhuǎn)時(shí)流過表頭的直流電流值，這個(gè)值越小，表頭的靈敏度愈高。測(cè)量線路是用來把各種被測(cè)量轉(zhuǎn)換到適合表頭測(cè)量的微小直流電流的電路，能將各種不同的物理量（如電流、電壓、電阻等）、不同的量程，經(jīng)過一系列的處理（如整流、分流、分壓等），轉(zhuǎn)變成微小直流電流送入表頭進(jìn)行測(cè)量。轉(zhuǎn)換開關(guān)用來選擇各種不同的測(cè)量線路，以滿足不同種類和不同量程的測(cè)量要求。轉(zhuǎn)換開關(guān)有一個(gè)或兩個(gè)，標(biāo)有不同的功能和量程［４］。
　　對(duì)指針式萬用表直流電壓是表頭通過串聯(lián)不同的電阻構(gòu)成，利用串聯(lián)電路的分壓特性來得到不同的直流電壓量程，因而直流電壓擋位尤其是大量程，其內(nèi)阻較大（例如MF47萬用表的DCV1000V檔高達(dá)9MΩ），如果該擋并聯(lián)在電路當(dāng)中，對(duì)原電路的影響較小，而串聯(lián)到電路當(dāng)中，則通過的電流很小，基本相當(dāng)于開路。直流電流擋位為表頭并聯(lián)電阻構(gòu)成，利用并聯(lián)電路的分流特性來得到不同的直流電流量程，因而直流電流擋位內(nèi)阻很小，串聯(lián)到電路當(dāng)中，對(duì)原電路的影響一般較小，近似于一連接導(dǎo)線，但如果并聯(lián)到電路中，大部分電流將通過萬用表。
　　萬用表測(cè)量時(shí)應(yīng)水平放置，并進(jìn)行機(jī)械零點(diǎn)調(diào)節(jié)。一般應(yīng)將萬用表紅表筆接入“+”插孔，黑表筆接入“-”插孔，如有大電流或大電壓，紅表筆接入相應(yīng)大量程插孔。
　　測(cè)量直流電壓時(shí)，萬用表與待測(cè)電壓并聯(lián)，例如測(cè)量某電路中a、b兩點(diǎn)電壓Uab，應(yīng)試探性地將黑表筆接a，接紅表筆接b，若指針向順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，則電壓值記為正值，由于萬用表逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)即反偏會(huì)損壞指針，因此試探性連接時(shí)發(fā)現(xiàn)指針反偏，應(yīng)立即將表筆換向連接，同時(shí)電壓值記為負(fù)值。測(cè)量直流電流時(shí)，萬用表串聯(lián)入待測(cè)點(diǎn)，電流正負(fù)值選擇方式與電壓測(cè)量時(shí)相似。不管是直流電壓還是電流擋，都應(yīng)先選大量程，只有發(fā)現(xiàn)其大小確實(shí)小于下一量程，才能將切換到下一量程。注意在切換功能或量程前，應(yīng)將萬用表表筆斷開。
　　4.萬用表的量程與讀數(shù)
　　必須根據(jù)萬用表的轉(zhuǎn)換開關(guān)指示的功能和量程選用相應(yīng)的刻度盤讀數(shù)。讀數(shù)時(shí)視線應(yīng)于刻度盤盤面垂直，指針、刻度線（或估讀數(shù)據(jù)理論上的刻度線）和指針在刻度盤鏡面內(nèi)的像，三條線在同一平面上。讀數(shù)還應(yīng)估讀一位。對(duì)直流電壓電流檔位而言，待測(cè)物理量和指針偏轉(zhuǎn)角度是線性關(guān)系，因而刻度線是均勻的，估讀也較容易。對(duì)MF47型萬用表而言，直流電壓電流擋讀數(shù)為刻度盤中部0—10、0—50和0—250這一區(qū)域的刻度線，若滿量程為10、50和250直接利用這三個(gè)刻度線即可；若為其他量程，可以選擇該量程為這三個(gè)刻度線慢量程的整十倍，或整十分之一讀數(shù)，這樣讀數(shù)換算最簡單，例如用1000V量程，那么讀滿刻度為10的數(shù)據(jù)，再乘以100即得所測(cè)電壓大小。
　　初學(xué)者往往忽視指針式萬用表接入電路后對(duì)原電路的影響。即使正確地使用萬用表測(cè)量數(shù)據(jù)，也會(huì)產(chǎn)生誤差，不僅是萬用表本身精確度等級(jí)帶來的誤差，而且有萬用表接入電路改變了原電路，后者往往被初學(xué)者忽略。而某些情況下，這種改變不僅會(huì)出現(xiàn)誤差，而且會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。因此不能迷信萬用表的精確度等級(jí)，而應(yīng)根據(jù)萬用表和電路本身的參數(shù)分析誤差，并避免出現(xiàn)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。
　　對(duì)直流電壓測(cè)量而應(yīng)，可以采用補(bǔ)償法減小萬用表分流的影響，從而減小誤差［1］。
　　5.萬用表的安全使用
　　萬用表的不當(dāng)使用，往往造成電氣故障甚至人身安全事故。例如當(dāng)萬用表擋位為電流時(shí)，錯(cuò)誤地用來測(cè)量電壓，即使是較低的直流電壓，由于萬用表電流擋內(nèi)阻極小，也很可能會(huì)造成萬用表保險(xiǎn)管熔斷和表頭損壞，如用來測(cè)量AC220V市電電壓，會(huì)造成萬用表保險(xiǎn)管爆裂和表頭損壞。另外測(cè)量高壓是如用手接觸到表筆金屬部分，會(huì)發(fā)生觸電事故。
　　萬用表使用尤其是測(cè)量高壓時(shí)要避免接觸其金屬部分，不用電流擋來測(cè)電壓。萬用表不用時(shí)應(yīng)打到“OFF”擋（例如MF47型）或交流電壓量程最大擋（例如MF30型）。
　　雖然新型的指針式萬用表采用了多重保護(hù)電路，但在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)過程中，仍然必須堅(jiān)持讓學(xué)生正確使用指針式萬用表，這樣才能切實(shí)保護(hù)學(xué)生的人身安全和培養(yǎng)學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。
　　6.結(jié)語
　　熟練掌握指針式萬用表的正確實(shí)驗(yàn)方法，不但是理工科學(xué)生完成好物理實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目保證，而且有利于后續(xù)相關(guān)實(shí)踐性環(huán)節(jié)的開展。
　　
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