对多用电表欧姆挡的内阻及欧姆表原理图的探讨_精品文档.pdf

1、对多用电表欧姆挡的内阻及欧姆表原理图的探讨李艳军 张转利(江阴市华士高级中学,江苏 江阴 214421)在学习了高中物理第二册1“欧姆表原理”之后,不少学生根据课本上给出的欧姆表原理图和教师讲解的“半偏法”,关于多用电表欧姆挡的内阻推出了下述两个互相矛盾的结论.结论1.欧姆表由低挡位转换到高挡位时,内阻变小图1在应用欧姆表测电阻时,首先选择 10倍率档,将表笔短接进行欧姆调零后.表头满偏;然后转换到 1k倍率挡,将表笔短接,在进行欧姆调零前发现指针超出了最大刻度(满偏值),即通过表头的电流大于其满偏电流.根据课本上给出的欧姆表原理图(图1)结合欧姆定律可得:R内=E/I,I变大,说明R内变小.

2、由此得出了结论一.结论2.欧姆表由低挡位转换到高挡位时,内阻变大选择好某一挡位,直接将表笔短接调好零,此时流过表头的电流等于它的满偏电流Ig,有:Ig=ER内;在此状态下,将一电阻Rx接入表笔间,I=ER内+Rx,有IIg=R内R内+Rx,当Rx=R内时,I=Ig2,即指针指到刻度盘中央,此时的Rx叫作中值电阻.由上述分析可知,欧姆表在某一个挡位时的内阻就等于这一挡位的中值电阻值,这就是我们常说的“半偏法”.这两种推理过程都没有问题,但得出了不同的结论,到底是怎么同事呢?鉴于物理学科实验性强的特点,本着科学严谨的态度,我动手查阅了各种资料,并亲自拆开了一个万用电表研究其内部电路,形成了自己的一

3、些观点,现拿出来与各位同行商讨.首先肯定一点:用半偏法确定万用电表欧姆挡各挡位的内阻是绝对正确的,即倍率大的挡位对应的内阻肯定大,倍率小的挡位对应的内阻值小.那么为什么会出现结论一所述的现象呢?笔者认为教学用书及多数参考书上给出的欧姆表原理图有不足之处:它很容易让人误认为流过表头的电流就等于流过干路的电流,因此,结论一的得出的也是“有据可依”的.那么,欧姆表的内部结构是什么?其内阻究竟是由哪几部分组成呢?下面是MF-16型多用电表的欧姆挡部分电路图.(图2)图2此型号多用电表的规格指标如下:R1=5.51,R2=49.59,R3=1048,R4=709,R5=700,RM=1 000,R11=

4、5.18 k,R12=60.6,表头满偏电流Ig=157A,表头刻度盘中央示数为6.由图可知,多用电表欧姆挡的内阻由以下几部分组成:并联分流电阻Rs=R1+R2+R3+R4+R5=2512.1,表头的实际电阻RM=1 000,欧姆挡固定电阻R11、R12,选择 1 k倍率挡时,K1、K2使触片和接点1相连;选择 10倍率挡时,K1将触点1和触点2相连.分析电路结构结合串并联电路的特点可知,表头指针的偏转角度只能反映流过表头这一支路电流的大小,并不能反映出电路中总电流的大小,因此也就不能通过指针的偏转来判定电路中的总电流的大小,即不能通过指针的偏转来判定欧姆表内阻的大小.那么为什么会出现结论一中

5、描述的现象呢?请看笔者对这一现象的探索过程.1 选择 10倍率挡此时欧姆挡的电路简化为如图3所示.这挡欧姆刻度线的中央值是610=60,即 10倍率挡的表内总内阻是60.由于电源电压为1.5 V,当将两表笔短接时.电路中的总电流为:IM=电源电压(U)中心阻值=1.560A=0.025 A=25 000A,其中IM=电源电压R12=1.560.6A=24 752.4A,所以 IM=IM-IM=(25 000-24 752.4)A=247.6A.此时对欧姆表进行调零.假设触头将R5分为两部分左边:R51和右边:R52,此时流过表头的电流刚好33第26卷第6期 物 理 教 师Vol.26 No.6

6、2005年 PHYSICS TEACHER(2005)等于表头的满偏电流Ig,由并联电路特点可得:(R1+R2+R3+R4+R52)(IM-Ig)=(RM+R51)Ig.所以 R52=IgIM(Rs+RM)-(R1+R2+R3+R4)=157247.6(2 512+1 000)-1 812.1=414.9,R51=R5-R52=(700-414.9)=285.1.可见调零结束后R5被分为414.9和285.1两部分,此时表头刚好达到满偏,流过表头的电流为Ig=157A.图3 图42 选择 1k倍率挡 当由 10倍率挡换到 1k倍率挡后,在没有进行欧姆调零前将表笔短接,我们来计算一下流过表头的电

7、流值.此时,电路简化为如图4所示.此时表头回路中总电阻为:R并=(RM+R51)(Rs-R51)(RM+R51)+(Rs-R51)=1 285.12 226.91285.1+2 226.9=814.9.电路中总电阻为:R=R并+R11=(814.9+5 180)=5 994.9.电路中总电流为:IM2=电源电压R=1.55994.9=250.2A.根据并联电路的分流特点,此时流过表头的电流为:Ig=Rs-R51Rs+RMIM2=2 226.93512250.2A=158.6A.比较Ig和Ig,可见IgIg,即由小倍率挡换成大倍率挡时,进行欧姆调零前短接表笔时流过表头的电流大于表头的满偏电流,即

8、会发生结论一所描述的现象.鉴于此,我们在使用欧姆表测量电阻时,挡位的选择应该遵循一定的顺序:在估测待测电阻阻值的基础上,先选择高挡位,若达不到要求,再换用低挡位,这样可以避免在转换挡位过程中不小心将表笔短接,使流过表头的电流大于其满偏电流而损坏电表,起到了保护电表的作用.由以上对问题的探讨过程可以看出,在平时的物理教学过程中,除了对学生进行物理理论的教学外,还应该使学生对物理学科“理论联系实际”这一特点有足够充分的认识,从而使他们认识到在解决物理问题时,不仅要掌握足够的理论知识,还要考虑生活实际,这也能够增强学生解决实际问题的能力,很符合当前教育改革和素质教育的要求.图5最后,笔者想对教材上的

9、欧姆表原理图提一点建议:将欧姆表原理图画为图1所示,违背了物理知识的科学性和严密性,同时可能给学生甚至教师对知识的理解造成误导,因此,笔者认为将图1改为图5比较科学合理.参考文献:1 张同恂等.物理(必加选)第二册,人民教育出版社,2000.(收稿日期:2005-03-08)图5(上接第32页)轨道侧面均安有刻度尺,可控制竖直高度和测出水平距离.配有质量分别为100 g和200 g左右的钢球各一只,可以改变物体的质量;玻璃底板一块,一面贴了毛巾的三夹板一块,可以分别插入水平轨道中,从而改变水平面的粗糙程度;4 cm6 cm8 cm的硬质木块一块.实验前先调节底板下三个螺母使底板水平(重锤对准底

10、板上红点即可).探究动能大小跟什么有关时,在水平轨道上插上三夹板,放上木块,用两个钢球从同一高度滚下,同一钢球从不同高度滚下,观察木块被撞击后移动的距离即可得出结论.探究牛顿第一运动定律时,把水平轨道上先后换上毛巾面、三夹板、玻璃面,用同一钢球从同一高度滚下,从木块被撞击后滑动的距离越来越长即可推理出结论,也可不用木块,而用小钢球从3 cm左右的同一高度滚下,观察钢球滚动距离的变化就行了.这种装置不但大大降低了调试安装的难度,节省了时间,而且确保了很高的成功率.(收稿日期:2005-03-27)43Vol.26 No.6 物 理 教 师第26卷第6期(2005)PHYSICS TEACHER2005年