多用電表學習中幾個困惑的解釋①

金愛兵　侯金俊

(江蘇省盱眙中學,江蘇　淮安　211700)

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·實驗研究·

多用電表學習中幾個困惑的解釋①

金愛兵侯金俊

(江蘇省盱眙中學,江蘇淮安211700)

本文根據多用電表的原理和實際電路,對學生在學習和使用多用電表中的常見困惑進行釋疑.

多用電表;原理;釋疑

高中物理教材要求學生能熟練運用多用電表,高考也經?？疾槎嘤秒姳?在練習使用多用電表的過程中,學生經常會遇到不少困惑.

1　歐姆表如何實現換檔？

圖 1

圖 2

在高中物理選修3-1“多用電表的原理”一節中,給出了簡單的歐姆表原理圖和多量程多用電表示意圖(如圖1、圖2),學生會有以下疑問:歐姆表換檔是如何實現的？難道就是更換不同的電源？歐姆調零就是調節滑動變阻器？改變電路的總電阻是使電流計指針滿偏？

教材中介紹的原理圖和示意圖雖然有利于學生掌握基本原理,但難以用它來解釋歐姆表的換檔和調零,我們必須了解真正的多用電表歐姆檔電路，圖3是J0411型學生多用電表歐姆檔部分的電路簡化圖.

圖3

所以,歐姆檔由小量程向大量程轉換時,內電阻的增大是通過變換、并聯阻值更大的電阻實現的,而不是通過串聯更大電阻來增大內阻的.

2歐姆表表筆短接后由小倍率轉成大倍率時指針為何右偏？

在學生實驗課上,有位學生發現了一個令人困惑的問題:當他將選擇開關從×1檔調到×10檔,并將兩表筆短接時,發現電表的指針竟然偏向0刻度的右側.但是根據多用電表的工作原理,當選擇開關從×1檔調到×10檔時,多用電表的內阻將增大,若將兩表筆短接,根據歐姆定律,電流應減小,電表的指針應該偏向0刻度的左側才對,究竟是怎么回事？

我們要注意以上兩個電流的區別和聯系.表頭顯示的電流應為Ig,而并非通過電源的電流I.當選擇開關“×1”檔換至“×10”檔時,由于R′的值變大,I變小,引起電源的端電壓U變大.又因為U的值變大,Ig是變大的，這就是歐姆表換大量程檔后,短接調零前表頭指針偏右的原因.

3　歐姆表重新調零后測量是否準確？

可以認為歐姆表的電阻是以中值電阻為單位的,在圖3的電路中,設計好×1k檔后,切換到其它檔時,若不改變調零電阻的阻值,則當紅黑表筆短接時,流過電流計的電流將不等于滿偏電流,故應該重新調零.但這種調節肯定會改變該檔的內阻(即中值電阻),那么這種調節豈不是會影響測量的準確性？

我們以×1檔為例來說明調零電阻對測量值的影響(取電源內阻r=0.5Ω).各電阻的數據如圖4中所示,RJ是調零電阻,當觸頭從上端移至下端的過程中,按照圖中數據計算,AB間的最大電阻為14.08797Ω,AB間的最小電阻為14.0875Ω,由調節調零電阻引起該檔內電阻的變化最大值為0.00047Ω.由此可見,由于調節調零電阻而引起總內電阻的變化不大,即對中心值電阻幾乎沒有影響,而歐姆表量程的設計都以中間刻度為標準,然后分別求出相當于各個被測電阻的刻度值.可見,調節調零電阻時,只要能使指針調到零刻度,測量值還是比較準確的.

圖4

由此可見,用多用電表測電阻時,選擇檔位后,歐姆檔的內阻就已經確定,歐姆調零時明顯改變流過表頭的電流,使指針滿偏,指向零歐姆處,而不是改變電路的總電阻.設置調零電阻是為了當電源的電動勢減少、內阻增大時，保證指針能調到0刻度線,使多用電表能正常工作.每次換檔后調節調零電阻不會影響測量的準確性.

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時學生常會產生一些困惑:測交流電壓大于2.5伏的刻度線是均勻的,而0～2.5V的刻度線不均勻,直流電壓的測量怎么不存在這樣的問題？

測交流電壓低壓檔的刻度線是不均勻的,且電壓越小,左側的刻度越不均勻(如圖5).這是因為:學生實驗使用的多用電表是由磁電式電流計改裝的,磁電式電流計只允許通過直流電,要測量交流電的電流和電壓,必須經過整流元件二極管將交流變為直流.因為二極管是非線性元件(圖6為某一鍺管的特性曲線),二極管的正向電阻會隨電流(電壓)變化而變化,尤其是U、I越小時的非線性越明顯,即電阻越大.由U=IR可知,整流系統的電流I與U不成正比.而指針偏角θ與電流有效值I成正比,所以當測交流電流時,其刻度是均勻的；測交流電壓時,因為U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,正向電阻R就越大,電壓減小比電流減小快,導致左側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,表頭串聯的分壓電阻越大,其阻值會遠大于二極管的正向電阻.例如,對鍺二極管來說,若待測電壓為10V,二極管分壓只占2%左右；若待測電壓是50V,二極管分壓只占0.4%左右.對“10V檔,2.5V檔”,起始刻度不均勻,就是因為二極管的正向壓降的影響所致.后邊的刻度基本均勻,是因為二極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,整個表盤刻度就全部是均勻的了.

因此,用磁電式電流計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二極管的電阻為何相差很大?

另一位學生在用多用表測某個二極管的正向電阻時,發現選擇“×1”檔,測得的阻值為9Ω；選擇“×10”檔,測得的阻值約為55Ω；選擇“×100”檔,測得的阻值約為450Ω；選擇“×1k”檔,測得的阻值約為3000Ω.學生感到疑惑:為什么選擇不同的歐姆檔,測出的同一個二極管的正向電阻值會不同？

選擇不同的歐姆檔,測出的同一個二極管的正向電阻值會不同,問題還是在于二極管是非線性元件,用多用電表歐姆檔測二極管的正向電阻時,選擇不同檔測量,加在二極管上的正向電壓是不同的.以下是筆者用J0411型多用電表測量某二極管的正向電壓:選擇“×1k”檔,測得二極管上的正向電壓為0.5V；選擇“×100”檔,測得的正向電壓為0.7V；選擇“×10”檔,測得的正向電壓為0.85V；選擇“×1”檔,測得的正向電壓為1.1V.可見檔位越高,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.

在實際教學中,只要求學生對儀表進行簡單操作,往往會給學生帶來不少困惑.如果能在歐姆表原理圖和多量程多用電表示意圖的基礎上，進一步分析歐姆檔的內部結構和二極管的特性曲線,會對多用電表原理的理解更加深刻.

[1] 環晴.多用電表歐姆檔內部結構的探究[J].物理通報,2006,(4).

[2] 陳呂壽,李艷軍.多用電表歐姆調零原理分析[J].物理教師,2007,(2).

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

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