学年高中物理教科版选修31教学案第二章 第7节 学生实验练习使用多用电表 Word版含答案正式版.docx
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学年高中物理教科版选修31教学案第二章第7节学生实验练习使用多用电表Word版含答案正式版
第7节
学生实验:
练习使用多用电表
一、实验目的
1.了解多用电表的构造和原理,掌握多用电表的使用方法。
2.会用多用电表测电压、电流及电阻。
3.会用多用电表探索黑箱中的电学元件。
二、实验原理
1.欧姆表
(1)原理:
依据闭合电路欧姆定律制成,它是由电流表改装而成的。
(2)内部构造:
由表头、电源和可变电阻三部分组成。
(3)测量原理
如图271所示,当红、黑表笔间接入被测电阻Rx时,通过表头的电流I=
。
改变Rx,电流I随着改变,每个Rx值都对应一个电流值,在刻度盘上直接标出与I值对应的Rx值,就可以从刻度盘上直接读出被测电阻的阻值。
图271
(4)刻度标注
①“0Ω”标注:
当红、黑表笔相接时(图272甲),此时被测电阻Rx=0,调节调零电阻R,使表头达到满偏电流,即Ig=
,这时整个电路中的总电阻为欧姆表的总内阻,R内=r+R+Rg,因此时Rx=0,所以满偏电流Ig处应标注0Ω。
②“∞Ω”标注:
当红、黑表笔不接触时(图乙)相当于被测电阻Rx=∞,电流表中没有电流,表头的指针不偏转,此时指针所指的位置是欧姆表刻度的“∞”点。
③其他刻度的标注:
当红黑表笔间接入一电阻Rx时,如图丙所示,由闭合电路的欧姆定律有I=
,每一个电流值对应一个阻值Rx,将电流刻度转换成电阻标度,就将电流表改装成了欧姆表。
图272
(5)欧姆表的内阻与中值电阻的关系
由I=
可得,当Rx=R内时I=
Ig,指针半偏,通常把此时的Rx的值(即表盘中央的标度)称为中值电阻,则当指针半偏时,表盘的中值电阻R中=R内。
2.多用电表
(1)原理:
将电流表、电压表和欧姆表共用一个表头,就成为多用电表,也称万用表。
①作为电流表使用时,表头并联有分流电阻,且并联不同的分流电阻就成为不同量程的电流表。
②作为电压表使用时表头串联有分压电阻,串联不同的分压电阻就成为不同量程的电压表。
③作为欧姆表使用时,表头串联了电池和调零电阻。
(2)外形构造
图273
如图273所示,上半部是表头,表头的表盘上通常有电流、电压、电阻等三种刻度,其中最下面一行是交流电压表的刻度,最上面一行是欧姆表的刻度,这两个刻度是不均匀的,中间的一条刻度线均匀但标有不同的数值。
表头下部有一个定位螺丝,使用前应先调整指针在零刻度线处。
多用电表的下半部的中心部位是选择开关,盘面上还有电阻挡的调零旋钮,下面有两个红、黑表笔插孔。
三、实验器材
多用电表、电学黑箱、直流电源、开关、导线若干、小电珠、二极管、定值电阻(大、中、小)三个。
四、实验步骤
1.检查多用电表的指针是否停在表盘刻度左端的零位置。
若不指零,则可用小螺丝刀转动定位螺丝进行机械调零。
2.将红、黑表笔分别插入“+”“-”插孔。
3.测量
(1)测电压:
按如图274甲所示连好电路,将多用电表选择开关置于相应直流电压挡,测小灯泡两端的电压,根据所选量程读数。
图274
(2)测电流:
按如图乙所示连好电路,将选择开关置于相应直流电流挡,测量通过小灯泡的电流,根据所选量程读数。
(3)测电阻
①根据被测电阻的大约阻值,选取合适的挡位,把两表笔短接,观察指针是否指在电阻挡的“0Ω”刻度位置,若没有指在电阻挡的“0Ω”刻度位置,则调节电阻挡调零旋钮,使指针指在电阻挡的“0Ω”刻度位置。
②将被测电阻接在两表笔之间,如果指针偏角过小(大),需要更换更大(小)倍率欧姆挡。
切记,每次换挡后都要重新欧姆调零。
测量时待指针稳定在表盘刻度中央附近后读数。
③读出指针在刻度盘上所指的数值,观察选择开关所对应的电阻挡的倍率,用读数乘以倍率,即得测量结果。
④测量完毕,应将选择开关置于“OFF”位置或交流电压最高挡。
4.二极管的特点及其电阻测量
(1)特点:
如图275所示,它由半导体材料制成,有两个电极。
正极和负极,电流从正极流入时电阻较小,从正极流出时电阻较大,即二极管具有单向导电性。
图275
(2)电阻测量:
正向电阻较小,反向电阻较大,可用多用电表判断它的正负极或区分它的好坏。
①测正向电阻:
选低倍率欧姆挡,调整欧姆零点之后将黑表笔接触二极管正极,红表笔接触二极管负极。
读数乘以倍率即为正向电阻。
②测反向电阻:
选择高倍率的欧姆挡,调整欧姆零点之后将黑表笔接二极管负极,红表笔接二极管正极。
读数乘以倍率即为反向电阻。
5.利用多用电表探测黑箱内的电学元件
判断元件
应用挡位
现象
电源
电压挡
两接线柱正、反接时均无示数,说明无电源
电阻
欧姆挡
两接线柱正、反接时示数相同
二极管
欧姆挡
正接时示数很小,反接时示数很大
电容器
欧姆挡
指针先指“0Ω”后逐渐增大到“∞”,且越来越慢
6.用多用电表判断电路故障
电路故障一般是短路或断路,常见的情况有导线断芯、灯泡断丝、灯座短路、电阻器内部断路、或接头处接触不良等,检查故障的方法有:
(1)电压表检测
如果电压表读数为零,说明电压表上无电流通过,可能在并联路段之外有断路,或并联路段内有短路;如果电压表有示数,说明电压表上有电流通过,则在并联电路之外无断路且并联路段内无短路。
(2)假设法
已知电路发生某种故障,寻求故障在何处时,可将整个电路划分为若干部分,然后逐一假设某部分电路发生故障,运用电路知识进行正向推理,推理结果若与题述现象不符合,则故障不在该部分电路;若结果与题述现象符合,则故障可能发生在这部分电路,这样逐一排除,直到找到发生故障处为止。
五、数据处理
1.测电阻时,电阻值等于指针的示数与倍率的乘积。
指针示数的读数一般读两位有效数字。
2.测电压和电流时,如果所读表盘的最小刻度为1、0.1、0.001等,读数时应读到最小刻度的下一位,若表盘的最小刻度为0.2、0.02、0.5、0.05等,读数时只读到与最小刻度位数相同即可。
六、误差分析
1.测电阻时,表盘刻度线不均匀造成读数误差。
2.电池旧了电动势下降,会使电阻测量值偏大。
七、注意事项
1.表内电源正极接黑表笔,负极接红表笔,但是红表笔插入“+”孔,黑表笔插入“-”孔,注意电流的实际方向。
2.区分“机械零点”与“欧姆零点”。
机械零点是表盘刻度左侧的“0”位置,调整的是表盘下边中间的定位螺丝;欧姆零点是指刻度盘右侧的“0”位置,调整的是欧姆挡的调零旋钮。
3.测电压时,多用电表应与被测元件并联;测电流时,多用电表应与被测元件串联。
4.测量电阻时,每变换一次挡位都要重新进行欧姆调零。
5.由于欧姆表盘难于估读,测量结果只需取两位有效数字,读数时注意乘以相应量程的倍率。
6.使用多用电表时,手不能接触测试笔的金属杆,特别是在测电阻时更应注意。
7.测量电阻时待测电阻要与其他元件和电源断开,否则不但影响测量结果,甚至可能损坏电表。
8.如果调零后表的指针不能指到满刻度,应更换电池。
9.多用电表使用完毕,应将表笔从插孔中拔出,并将选择开关置于“OFF”挡或交流电压最高挡,如果长期不用欧姆表,应把表内电池取出。
[例1] 多用电表表头的示意图如图276所示。
在正确操作的情况下:
图276
(1)若选择开关的位置如a所示,则测量的物理量是________,测量结果为________。
(2)若选择开关的位置如b所示,则测量的物理量是________,测量结果为________。
(3)若选择开关的位置如c所示,则测量的物理量是________,测量结果为________。
(4)若选择开关的位置如c所示,正确操作后发现指针的偏转角很小,那么应选择________挡重新测量。
[解析]
(1)若选择开关的位置如a所示,则测量的是直流电压,量程为2.5V,测量结果为1.25V。
(2)若选择开关的位置如b所示,则测量的是直流电流,量程为100mA,测量结果为50mA。
(3)若选择开关的位置如c所示,则测量的是电阻,倍率为“×100”,测量结果为16×100Ω=1.6kΩ。
(4)若选择开关的位置如c所示,指针的偏转角很小,说明所测量电阻的阻值很大,应该选择更大倍率的挡位,即“×1k”挡。
[答案]
(1)直流电压 1.25V
(2)直流电流 50mA (3)电阻 1.6kΩ (4)×1k
[例2] 某同学使用多用电表粗略测量一定值电阻的阻值,先把选择开关旋到“×1k”挡位,测量时指针偏转如图277所示。
请你简述接下来的测量操作过程:
图277
①________________________________________________________________________;
②________________________________________________________________________;
③________________________________________________________________________;
④测量结束后,将选择开关旋到“OFF”挡。
(2)接下来采用“伏安法”较准确地测量该电阻的阻值,所用实验器材如图278所示。
其中电压表内阻约为5kΩ,电流表内阻约为5Ω。
图中部分电路已经连接好,请完成实验电路的连接。
图278
(3)图279是一个多量程多用电表的简化电路图,测量电流、电压和电阻各有两个量程。
当转换开关S旋到位置3时,可用来测量________;当S旋到位置______时,可用来测量电流,其中S旋到位置________时量程较大。
图279
[解析]
(1)欧姆表读数时,指针在中央位置附近时最准确,开关旋到“×1k”挡时,指针偏角太大,所以改换成小挡位“×100”;换挡后,应对欧姆表重新进行调零;所测电阻阻值等于表盘示数×倍数。
(2)上一问可以粗略地知道被测电阻为几千欧,与电压表的内阻相近,因此安培表应用内接法。
(3)多用电表测电阻时,电源内置;作电流表时,电阻与表头并联;并联电阻越小,电流表的量程越大。
[答案]
(1)①断开待测电阻,将选择开关旋到“×100”挡 ②将两表笔短接,调整“欧姆调零旋钮”,使指针指向“0Ω”③再接入待测电阻,将指针示数×100,即为待测电阻阻值
(2)连线如图
(3)电阻 1、2 1
[例3] 如图2710所示是某同学连接的实物图,灯泡A、B的规格均为“2.5V 1W”,滑动变阻器的规格为“10Ω 1A”,闭合开关后两灯都不亮。
他采取下列两种方法对故障原因进行排查:
图2710
(1)用多用电表的直流电压挡进行检查,那么选择开关应置于________挡。
A.2.5V B.10V
C.50VD.250V
在测试a、b间的直流电压时,红表笔应当接触______(填“a”或“b”)。
该同学的测试结果如表一所示,则根据测试结果可以判断故障是________。
A.灯A短路B.灯B短路
C.cd段断路D.df段断路
表一 表二
测试点
电压表示数
a、b
有示数
b、d
有示数
c、d
无示数
d、f
有示数
测试点
指针偏转情况
c、d
d、e
e、f
(2)将开关断开,再选电阻挡进行测试,测试结果如表二所示,那么查出的故障是________。
A.灯A断路B.灯B断路
C.灯A、B都断路D.d、e间断路
[解析]
(1)由题中实物图可知,电源由4节干电池组成,电源电动势E=6V,用多用电表直流电压挡测量时,应选10V挡较合适。
根据电流应从红表笔流入,从黑表笔流出的原则,红表笔应连电源正极,即接b。
可用排除法确定电路故障,接a、b时有示数,说明从电源负极到a处、正极至b处,无断路;测试点b、d之间有示数,说明a与d之间无断路;测试点c、d之间无示数,说明e、f、b间有断路;测试点d、f之间有示数,说明f、b间无断路,故可确定断路在d、f间。
另外不能说明A或B灯短路,因为一个灯短路,并不影响另一个灯发光。
(2)由接c、d和接e、f时指针偏转情况可知,灯A、B均未断路,由接d、e时指针偏转情况可知,d、e间断路。
[答案]
(1)B b D
(2)D
1.如图2711为一正在测量中的多用电表表盘。
图2711
(1)如果是用“×10”挡测量电阻,则读数为________Ω。
(2)如果是用直流10mA挡测量电流,则读数为________mA。
(3)如果是用直流5V挡测量电压,则读数为______V。
解析:
用多用电表测电流或电压时,只要根据旋钮所指示的量程看相对应的刻度弧线,根据读数规则(一般估读到百分位),直接读出指示的读数即可,而欧姆表的刻度指示数乘以旋钮指示的挡位倍率,才是电阻的测量值。
(1)因为选的是“×10”挡,所以读数为6.0×10Ω=60Ω。
(2)因为用直流10mA挡测电流,所以对应下面10mA挡读数为7.20mA(注意从直流刻度区读)。
(3)用直流5V挡测时,电压为3.60V。
答案:
(1)60
(2)7.20 (3)3.60
2.如图2712所示,黑盒中有一个单向导电元件,当元件中电流沿某一方向时,单向导通,其电阻为零;当电流反向时,其电阻无穷大。
另外,还有两个阻值均为1kΩ的电阻。
它们与黑盒的接线柱1、2、3接成电路,用多用电表的电阻挡对这三个接线柱间的电阻进行测量,得到的数据如下表所示。
图2712
黑表笔
1
1
2
红表笔
2
3
1
表盘读数
0
0.5kΩ
2kΩ
那么黑盒中的电路应为下列选项中的( )
解析:
选C 黑表笔与表内电源的正极相连,红表笔与表内电源的负极相连。
当黑表笔接1、红表笔接2时电阻为0,表明1、2间测的是二极管的正向电阻;当黑表笔接1、红表笔接3时电阻为0.5kΩ,是已知电阻阻值的二分之一,故1、3间是两个电阻并联;当黑表笔接2、红表笔接1时,电阻为2kΩ,为两个电阻串联。
综合分析可判定选项C正确。
3.(2015·上海高考)如图2713是一个多用表欧姆挡内部电路示意图。
电流表满偏电流0.5mA、内阻10Ω;电池电动势1.5V、内阻1Ω;变阻器R0阻值0~5000Ω。
图2713
(1)该欧姆表的刻度值是按电池电动势为1.5V刻度的,当电池的电动势下降到1.45V、内阻增大到4Ω时仍可调零。
调零后R0阻值将变________(选填“大”或“小”);若测得某电阻阻值为300Ω,则这个电阻的真实值是________Ω。
(2)若该欧姆表换了一个电动势为1.5V,内阻为10Ω的电池,调零后测量某电阻的阻值,其测量结果________(选填“偏大”“偏小”或“准确”)。
解析:
(1)由闭合电路欧姆定律:
Ig=
得:
R0=
-Rg-r,因为式中E变小,r变大,故R0将减小;因为该欧姆表的刻度是按电池电动势为E=1.5V刻度的。
测得某电阻阻值为300Ω时,电流表中的电流I=
,RΩ=
,当电池电动势下降到E′=1.45V时,此时欧姆表的内阻RΩ′=
,由闭合电路欧姆定律得I=
,解得真实值R′=290Ω。
(2)该欧姆表换了一个电动势为1.5V,内阻为10Ω的电池,调零后测量某电阻的阻值的测量结果准确,因为电源的电动势没有变化,而内阻的变化,可以通过调零电阻的阻值的变化来抵消。
答案:
(1)小 290
(2)准确
4.为了确定一个定值电阻Rx的阻值,做如下测量:
图2714
(1)用多用电表“×1”倍率粗测该电阻,示数如图2714所示,测量结果为________Ω。
(2)用伏安法测量该电阻,实验室提供的器材及规格如下:
电压表V1(0~3V,内阻约3kΩ)
电压表V2(0~15V,内阻约15kΩ)
电流表A(0~50mA,内阻约5Ω)
滑动变阻器R1(最大阻值20Ω)
滑动变阻器R2(最大阻值2kΩ)
定值电阻R0(阻值50Ω)
电源(4V,内阻可不计)
开关1个,导线若干
为了较准确的测量电阻,
①电压表应该选择__________,滑动变阻器应该选择__________;
②请在图2715方框内画出电路图。
图2715
解析:
(1)用多用电表“×1”倍率粗测该电阻,测量结果为13Ω。
(2)①因电源电压只有4V,故电压表选V1;滑动变阻器要用分压电路,故选R1;②电路如图所示。
答案:
(1)13.0(或13)
(2)①V1R1②图见解析
5.某同学为了测量一个量程为3V的电压表的内阻,进行了如下实验。
图2716
(1)他先用多用表进行了正确的测量,测量时指针位置如图2716所示,得出电压表的内阻为3.00×103Ω,此时电压表的指针也偏转了。
已知多用表欧姆挡表盘中央刻度值为“15”,表内电池电动势为1.5V,则电压表的示数应为________V(结果保留两位有效数字)。
(2)为了更准确地测量该电压表的内阻RV,该同学设计了图2717所示的电路图,实验步骤如下:
图2717
A.断开开关S,按图2717连接好电路;
B.把滑动变阻器R的滑片P滑到b端;
C.将电阻箱R0的阻值调到零;
D.闭合开关S;
E.移动滑动变阻器R的滑片P的位置,使电压表的指针指到3V位置;
F.保持滑动变阻器R的滑片P位置不变,调节电阻箱R0的阻值使电压表指针指到1.5V位置,读出此时电阻箱R0的阻值,此值即为电压表内阻RV的测量值;
G.断开开关S。
实验中可供选择的实验器材有:
a.待测电压表
b.滑动变阻器:
最大阻值2000Ω
c.滑动变阻器:
最大阻值10Ω
d.电阻箱:
最大阻值9999.9Ω,阻值最小改变量为0.1Ω
e.电阻箱:
最大阻值999.9Ω,阻值最小改变量为0.1Ω
f.电池组:
电动势约6V,内阻可忽略
g.开关,导线若干
按照这位同学设计的实验方法,回答下列问题:
①要使测量更精确,除了选用电池组、导线、开关和待测电压表外,还应从提供的滑动变阻器中选用________(填“b”或“c”),电阻箱中选用________(填“d”或“e”)。
②电压表内阻RV的测量值R测和真实值R真相比,R测________R真(填“>”或“<”);若RV越大,则
越________(填“大”或“小”)。
解析:
(1)由题知欧姆表的内阻为r=1.5×103Ω,欧姆表内电池电动势为1.5V,根据闭合电路欧姆定律可知,E=U+
r,解得U=1.0V。
(2)由于滑动变阻器连接采用的是分压接法,为了使电路电压调节变化尽可能均匀,应选用最大阻值较小的滑动变阻器c,由于电压表的电阻约为3000Ω,因此电阻箱应选用最大阻值超过3000Ω的电阻箱d。
由于将电阻箱的阻值调大,因此电压表与电阻箱串联部分电路两端的电压会大于3V,即当电压表的示数为1.5V时,电阻箱两端的电压大于1.5V,即电阻箱接入电路的电阻值大于电压表的内阻,因此电压表电阻的测量值大于真实值,即R测>R真;当RV趋于无穷大时,|
|趋于零,因此RV越大,|
|越小。
答案:
(1)1.0
(2)①c d ②> 小
6.(2015·广东高考)某实验小组研究两个未知元件X和Y的伏安特性,使用的器材包括电压表(内阻约为3kΩ)、电流表(内阻约为1Ω)、定值电阻等。
图2718
(1)使用多用电表粗测元件X的电阻,选择“×1”欧姆挡测量,示数如图2718(a)所示,读数为______Ω,据此应选择图2718中的______(填“b”或“c”)电路进行实验。
(2)连接所选电路,闭合S,滑动变阻器的滑片P从左向右滑动,电流表的示数逐渐________(填“增大”或“减小”);依次记录电流及相应的电压;将元件X换成元件Y,重复实验。
图2719
(3)图2719(a)是根据实验数据作出的UI图线,由图可判断元件________(填“X”或“Y”)是非线性元件。
(4)该小组还借助X和Y中的线性元件和阻值R=21Ω的定值电阻,测量待测电池的电动势E和内阻r,电路如图2719(b)所示,闭合S1和S2,电压表读数为3.00V;断开S2,读数为1.00V。
利用图2719(a)可算得E=________V,r=________Ω(结果均保留两位有效数字,视电压表为理想电压表)。
解析:
(1)用多用电表的欧姆挡测电阻时,电阻值=示数×倍率,故X的读数为10Ω×1=10Ω,由于
<
,或RX≪RV,故用伏安法测元件X的电阻时,电流表应外接,故选b电路进行实验。
(2)滑片P从左向右滑动过程中,元件X两端的电压越来越大,电流越来越大,故电流表示数逐渐增大。
(3)由UI图线可知Y是非线性元件。
(4)由(3)中的UI图线,可知线性元件的电阻RX=10Ω,当S1、S2都闭合时,回路中的电流I1=
=0.3A,当S1闭合,S2断开时,回路中的电流I2=
=0.1A,根据闭合电路欧姆定律,得E=I1(RX+r),E=I2(RX+R+r),联立两式并代入数据解得E≈3.2V,r=0.50Ω。
答案:
(1)10 b
(2)增大 (3)Y (4)3.2 0.50
7.同学用电阻箱、多用电表、开关和导线测一节旧干电池的电动势和内阻。
图2720
(1)他先用多用表电压挡直接接在电源两极,读数如图2720甲所示,则电源电动势约为________V。
(2)为了更准确地测量电源的电动势和内电阻,他用多用表的“直流100mA”挡设计了如图乙所示的测量电路,为了电表安全,请估算开关闭合前电阻箱的最小取值为________Ω。
(3)将多用电表的选择开关从OFF旋转至“直流100mA”挡,调节电阻箱到合适的值并记录其读数R,合上开关从多用表上读出相应的示数I。
(4)重复(3)的操作获得多组数据,根据数据作出了如图丙所示的R
图线。
(5)由图线得干电池的电动势E=______V(保留三位有效数字),内阻r=______Ω(取整数),多用表的内电阻对______(选填“E”“r”或“E和r”)的测量结果有影响。
解析:
(1)用多用表电压挡直接接在电源两极,量程为2.5V,则电源电动势约为1.30V;
(2)他用多用表的“直流100mA”挡设计了题图乙的测量电路,根据欧姆定律得开关闭合前电阻箱的最小取值R=
=
Ω=13Ω。
(5)由E=IR+Ir,变形为R=-r+E·
,根据函数斜率和截距的概念应有:
E=k=
V=1.40V,-r=-8,可得r=8Ω。
由于多用表存在内电阻,所以由闭合电路欧姆定律得:
E=IR+I(RA+r),变形为:
R=-(RA+r)+E·
,所以纵轴截距的绝对值代表电流表与电源的内阻之和,所以多用表的内电阻对r的测量结果有影响。
答案:
(1)1.30
(2)13 (5)1.40 8 r
电学实验问题
1.
(1)用多用电表的欧姆挡测量阻值约几十千欧的电阻Rx,以下给出的是可能的实验操作步骤,其中S为选择开关,P为欧姆调零旋钮。
把你认为正确步骤前的字母按合理的顺序填写在下面的横线上。
a.将两表笔短接,调节P使指针对准刻度盘上欧姆挡的0刻度,断开两表笔;
b