多用电表欧姆挡换挡原理分析.pdf

1、多用电表欧姆挡换挡原理分析刘朝明(广东省佛山市顺德区杏坛中学,广东 佛山 528325)高中物理教材(新教材)对多用电表的使用要求较高,但没有涉及欧姆表的原理问题.由于多用电表欧姆挡的挡间变换的原理较复杂,学生不易理解,部分教师对此问题也有不少疑问.例如,当欧姆表由小倍率挡变大倍率挡时内阻变大了还是变小了?表内仅仅是通过调零电阻来实现电阻变化的吗?为什么由小倍率挡变大倍率挡后,短接调零前却发现表头指针竟然偏右,即在原来零刻度线的右方?等问题.针对这些问题,笔者认真做过实验并打开欧姆表进行观察,对多用电表电原理图进行了仔细分析.下面是笔者对此问题的理解和分析.首先应当说明的是,根据全电路欧姆定律

2、分析知,欧姆表的总内阻等于欧姆表刻度盘上标出的中值电阻.并由此可推知,当欧姆表换倍率更大的挡位后,因为中值电阻增大,所以,欧姆表的内阻是增大的.为什么由小倍率挡变大倍率挡后,欧姆表总内阻增大后,短接调零前却发现表头指针竟然偏右,即通过表头的电流会增大呢?这就要弄清欧姆表的电原理.图1是课本给出的单挡位的欧姆表电原理图.图2是笔者根据多用电表的电原理图简化后得到的欧姆表多挡电原理图.图1 图2从图2可见,欧姆表由小量程挡向大量程挡转换时,需要增大欧姆表的总内阻是通过变换并联阻值更大的电阻来实现的(R4=14 k,R3=1.67 k,R2=151,R1=13.6).并非是通过串联更大电阻来增大内阻

3、的.当欧姆表的倍率为 1挡时,表笔短接,根据闭合电路欧姆定律有,通过电源的电流为:I=ER+r.(1)式中的R表示除电源内阻r以外的其他接入电路的电阻(R1、R4、R0、Rg)的总电阻.(R+r)是欧姆表的总内阻.设Ig是电流表的满偏电流,U表示电源的端电压,同是在表笔短接时,显然有:Ig=UR0+R4+Rg.(2)我们要注意以上两个电流的区别和联系.表头显示的电流应是Ig,而并非通过电源的电流I.当选择开关 1挡换至 10挡时,由于R的值变大,从式(1)可见I变小,引起电源的端电压U变大.因为U的值变大,从式(2)可知Ig是变大的.这就是欧姆表换大量程挡后,短接调零前表头指针偏右的原因.以下

4、是一道与此知识相关的高考复习练习题,此题是广州市2004年高考模拟考题,命题虽有超出2004年高考说明要求之嫌,但命题立题较高,是一道考查学生能力的题目.从考后试卷分析发现学生出错很多.这主要是学生对欧姆表换挡原理没有弄清,以及不会灵活运用中值电阻.图3图4 题目:某同学用以下器材接成图3所示的电路,并将原微安表盘改画成如图4所示,成功地改装了一个简易的“R1 k”的欧姆表,使用中发现这个欧姆表用来测量阻值在10 k20 k范围内的电阻时精确度令人满意.所供器材如下:A.Ig=100A的微安表一个.B.电动势E=1.5 V,电阻可忽略不计的电池.C.阻值调至14 k电阻箱R一个.D.红、黑测试

5、表棒和导线若干.(下转第25页)32第26卷第2期 物 理 教 师Vol.26 No.22005年 PH YSICS TEACHER(2005)44 W.电吹风电阻R=U/I=220 V/0.2 A=1 100.W=P总t=U2t/R总=(220 V)2120 s/(1 100+50)=5050.43 J.错解2:电热丝发热功率P=I2R=(0.2 A)250=2 W.U=IR=0.2 A50=10 VW=U2t/R=(10V)2120 s/50=240 J,或W=Pt=2W120 s=240 J.错解3:吹冷风时,电吹风消耗电功率P=UI=220 V0.2 A=44 W.吹热风时W=Pt=U

6、2t/R=(220 V)2260 s/50=116 160 J.错解4:电吹风消耗电功率P=UI=220 V0.2 A=44 W.W=Pt=44 W120 s=5 280 J.正解:电吹风吹冷风时,消耗功率P1=UI=220 V0.2 A=44 W.发热电阻丝功率P2=U2/R=(220V)2/50=968 W.P总=P1+P2=44 W+968 W=1 012 W.W总=P总t=1 012 W260 s=121 440 J.分析:造成错解1的原因是这部分学生不知道电吹风中的电热丝和电动机是并联连接的,他们认为这两者是串联的;造成错解2、4的学生是由于不理解电吹风工作原理,想当然地认为电吹风工

7、作时只有一只用电器在工作;造成错解3的学生有点懂电吹风的工作原理,但是他们认为吹冷风时只有电动机工作,吹热风时只有电热丝工作,还没有真正理解,处于似懂非懂阶段.归根到底,出现这些错误的原因都是知识掌握不牢固,物理课本上的习题会做,但对实物电路不熟悉,有的学生连家庭电路的电压都不知道,理论和实际脱钩;同时部分学生也缺少分析问题的能力,见到稍复杂的问题便束手无策,随便套用公式.如何解决知识应用这类问题昵?“电吹风”又吹给我们哪些启示呢?我认为在物理教学中应注意以下两点:(1)加强物理知识与生活、科学、技术和社会相联系的教学.物理学是自然科学中的一门基础学科,人类生活的每一个方面都与物理学的发展进步

8、息息相关,这就要求我们有意识地去关注学习内容与家庭、社会生活、生产实践的联系,关注环境污染、能源危机等一些社会问题,关注纳米、超导等新科技、新成果.切实改变传统教学中课堂等于教室,学习资源等于教材的观念.(2)加强培养学生的创造意识和动手能力,组织学生积极开展小发明、小实验、小制作活动,将理论与实践有机地结合起来.如在学完电的知识后,组织学生安装照明电路,排除照明电路的故障,估算家用电器耗电量,提出节约用电的办法等等.这样学生了解了物理知识的社会价值,形成了解决问题的能力,实现了自我、社会与自然的和谐发展,实现了认知、情感、态度与技能方面的和谐发展.(收稿日期:2004-09-08)(上接第2

9、3页)(1)原微安表的内阻Rg=.(2)在图3电路的基础上,不换微安表和电池,图4的刻度也不改变,仅增加1个元件,就能改装成“R1”的欧姆表.要增加的元件是(填器件名称),规格为.(保留两位有效数字)图5(3)画出改装成“R1”的欧姆表后的电路图.解析如下:根据“使用中发现这个欧姆表用来测量阻值在10 k20 k范围内的电阻时精确度令人满意.”说明测阻值在10 k20k的电阻时欧姆表的指针在刻度盘的中间,由此可定此表的中值电阻,即表内总电阻约为R总=15 k.(相当于欧姆表选择量程于 1 k挡).当表笔短接时,电流满偏,根据欧姆定律有:Ig=ER+Rg.代入E、R、Ig的值可得Rg=1 k.要把原表改装成“R1”的欧姆表,就要减少表的内阻.依题意,显然只有并联一个小电阻R,才能使表内总电阻等于中值电阻R并=15.根据R并=R(R+Rg)R+R+Rg,代入R以及Rg的数值可计算得R 15.(保留两位有效数字)画出改装成“R1”的欧姆表后的电路图如图5所示.(收稿日期:2004-06-01)52第26卷第2期 物 理 教 师Vol.26 No.22005年 PH YSICS TEACHER(2005)