多用电表学习中几个困惑的解释①

金爱兵　侯金俊

(江苏省盱眙中学,江苏　淮安　211700)



·实验研究·

多用电表学习中几个困惑的解释①

金爱兵侯金俊

(江苏省盱眙中学,江苏淮安211700)

本文根据多用电表的原理和实际电路,对学生在学习和使用多用电表中的常见困惑进行释疑.

多用电表;原理;释疑

高中物理教材要求学生能熟练运用多用电表,高考也经常考查多用电表.在练习使用多用电表的过程中,学生经常会遇到不少困惑.

1　欧姆表如何实现换档？

图 1

图 2

在高中物理选修3-1“多用电表的原理”一节中,给出了简单的欧姆表原理图和多量程多用电表示意图(如图1、图2),学生会有以下疑问:欧姆表换档是如何实现的？难道就是更换不同的电源？欧姆调零就是调节滑动变阻器？改变电路的总电阻是使电流计指针满偏？

教材中介绍的原理图和示意图虽然有利于学生掌握基本原理,但难以用它来解释欧姆表的换档和调零,我们必须了解真正的多用电表欧姆档电路，图3是J0411型学生多用电表欧姆档部分的电路简化图.

图3

所以,欧姆档由小量程向大量程转换时,内电阻的增大是通过变换、并联阻值更大的电阻实现的,而不是通过串联更大电阻来增大内阻的.

2欧姆表表笔短接后由小倍率转成大倍率时指针为何右偏？

在学生实验课上,有位学生发现了一个令人困惑的问题:当他将选择开关从×1档调到×10档,并将两表笔短接时,发现电表的指针竟然偏向0刻度的右侧.但是根据多用电表的工作原理,当选择开关从×1档调到×10档时,多用电表的内阻将增大,若将两表笔短接,根据欧姆定律,电流应减小,电表的指针应该偏向0刻度的左侧才对,究竟是怎么回事？

我们要注意以上两个电流的区别和联系.表头显示的电流应为Ig,而并非通过电源的电流I.当选择开关“×1”档换至“×10”档时,由于R′的值变大,I变小,引起电源的端电压U变大.又因为U的值变大,Ig是变大的，这就是欧姆表换大量程档后,短接调零前表头指针偏右的原因.

3　欧姆表重新调零后测量是否准确？

可以认为欧姆表的电阻是以中值电阻为单位的,在图3的电路中,设计好×1k档后,切换到其它档时,若不改变调零电阻的阻值,则当红黑表笔短接时,流过电流计的电流将不等于满偏电流,故应该重新调零.但这种调节肯定会改变该档的内阻(即中值电阻),那么这种调节岂不是会影响测量的准确性？

我们以×1档为例来说明调零电阻对测量值的影响(取电源内阻r=0.5Ω).各电阻的数据如图4中所示,RJ是调零电阻,当触头从上端移至下端的过程中,按照图中数据计算,AB间的最大电阻为14.08797Ω,AB间的最小电阻为14.0875Ω,由调节调零电阻引起该档内电阻的变化最大值为0.00047Ω.由此可见,由于调节调零电阻而引起总内电阻的变化不大,即对中心值电阻几乎没有影响,而欧姆表量程的设计都以中间刻度为标准,然后分别求出相当于各个被测电阻的刻度值.可见,调节调零电阻时,只要能使指针调到零刻度,测量值还是比较准确的.

图4

由此可见,用多用电表测电阻时,选择档位后,欧姆档的内阻就已经确定,欧姆调零时明显改变流过表头的电流,使指针满偏,指向零欧姆处,而不是改变电路的总电阻.设置调零电阻是为了当电源的电动势减少、内阻增大时，保证指针能调到0刻度线,使多用电表能正常工作.每次换档后调节调零电阻不会影响测量的准确性.

4　多用电表的交流档小电压刻度为何不均匀？

在观察多用电表刻度盘时学生常会产生一些困惑:测交流电压大于2.5伏的刻度线是均匀的,而0～2.5V的刻度线不均匀,直流电压的测量怎么不存在这样的问题？

测交流电压低压档的刻度线是不均匀的,且电压越小,左侧的刻度越不均匀(如图5).这是因为:学生实验使用的多用电表是由磁电式电流计改装的,磁电式电流计只允许通过直流电,要测量交流电的电流和电压,必须经过整流元件二极管将交流变为直流.因为二极管是非线性元件(图6为某一锗管的特性曲线),二极管的正向电阻会随电流(电压)变化而变化,尤其是U、I越小时的非线性越明显,即电阻越大.由U=IR可知,整流系统的电流I与U不成正比.而指针偏角θ与电流有效值I成正比,所以当测交流电流时,其刻度是均匀的；测交流电压时,因为U与I不成正比,故U与指针偏角θ也不成正比,故交流电压的刻度就不均匀,U越小时,正向电阻R就越大,电压减小比电流减小快,导致左侧电压的刻度比较密集.

图5

图6

如果交流电压表的量程越大,表头串联的分压电阻越大,其阻值会远大于二极管的正向电阻.例如,对锗二极管来说,若待测电压为10V,二极管分压只占2%左右；若待测电压是50V,二极管分压只占0.4%左右.对“10V档,2.5V档”,起始刻度不均匀,就是因为二极管的正向压降的影响所致.后边的刻度基本均匀,是因为二极管的正向压降影响小了,到50V以上的交流档,二极管的正向压降影响就根本显示不出来,整个表盘刻度就全部是均匀的了.

因此,用磁电式电流计改装的较大量程交流电压表刻度是均匀的,低量程交流电压表的刻度是不均匀的.

5用欧姆表的不同档测二极管的电阻为何相差很大?

另一位学生在用多用表测某个二极管的正向电阻时,发现选择“×1”档,测得的阻值为9Ω；选择“×10”档,测得的阻值约为55Ω；选择“×100”档,测得的阻值约为450Ω；选择“×1k”档,测得的阻值约为3000Ω.学生感到疑惑:为什么选择不同的欧姆档,测出的同一个二极管的正向电阻值会不同？

选择不同的欧姆档,测出的同一个二极管的正向电阻值会不同,问题还是在于二极管是非线性元件,用多用电表欧姆档测二极管的正向电阻时,选择不同档测量,加在二极管上的正向电压是不同的.以下是笔者用J0411型多用电表测量某二极管的正向电压:选择“×1k”档,测得二极管上的正向电压为0.5V；选择“×100”档,测得的正向电压为0.7V；选择“×10”档,测得的正向电压为0.85V；选择“×1”档,测得的正向电压为1.1V.可见档位越高,正向电压越低.从二极管的特性曲线可知,即正向电压越小,二极管的非线性就越明显,电阻值就越大.

在实际教学中,只要求学生对仪表进行简单操作,往往会给学生带来不少困惑.如果能在欧姆表原理图和多量程多用电表示意图的基础上，进一步分析欧姆档的内部结构和二极管的特性曲线,会对多用电表原理的理解更加深刻.

[1] 环晴.多用电表欧姆档内部结构的探究[J].物理通报,2006,(4).

[2] 陈吕寿,李艳军.多用电表欧姆调零原理分析[J].物理教师,2007,(2).

[3] 陈金苗.使用多用电表的几个疑点解析[J].物理通报,2010,(4).

①本文系江苏省教育科学“十二五”规划课题“用STEM教育理念指导苏北普高学生科技实践活动的研究”(编号：B-b/2015/02/029)阶段性研究成果.