核心素养视域下欧姆表的原理剖析及拓展应用①

施银辉

(福建省莆田第五中学,福建 莆田 351100)

1 引言

欧姆表的基本构造与工作原理,是鲁科版高中物理必修第三册第四章“闭合电路欧姆定律与科学用电”的重要内容,[1]也是闭合电路欧姆定律相关知识的综合应用。通过闭合电路欧姆定律的理论推导,让学生掌握用电流表改装成欧姆表的设计思想,体验欧姆表的制作过程,旨在进一步提高学生对物理观念的领悟能力,提升学生运用所学知识解决实际问题的能力。[2]本文以欧姆表的构造与原理为载体,挖掘物理本质,使学生突破物理解题思维的桎梏。

2 欧姆表的构造与原理

2.1 并联结构欧姆表

图1甲为并联结构欧姆表的原理图,虚线框内的部分为其内部结构电路图,并联结构欧姆表由电池、电流表和可调电阻组成。

图1

若取Rg=100 Ω,当R+r=0.1Rg时得到如图2中a曲线,当R+r=Rg时得到如图2中b曲线,当R+r=10Rg时得到如图2中c曲线,而当R+r大于100Rg时得到的图像则趋近于图2中d曲线。

由图2可知每个电流值对应一个电阻值,在电流表的表盘上将电流刻度 “改换”成电阻刻度,就将电流表改装成了欧姆表。在电流刻度值为0的位置标上0 Ω,而在电流刻度值为满偏的位置标为无穷大,并在其他位置标上相应的电阻刻度值。由图2可知并联结构欧姆表表盘刻度右边密左边疏,零刻度在左边。

并联结构的欧姆表在未接被测电阻或不使用时,可将图1中的开关断开,即把开关打到OFF挡,或者把电池从欧姆表中取出。

2.2 串联结构欧姆表

如图3甲所示是串联结构欧姆表的原理图,此欧姆表是由电池、电流表和可调电阻组成的,虚线框内的部分电路为欧姆表内部结构电路图。欧姆表内阻R内=Rg+r+R,其中r为电源内阻,Rg为电流表内阻,R为可调电阻。

甲

乙

图4

可见每个阻值对应一个电流值,在电流表的表盘上将电流刻度 “改换”成电阻刻度,这就将电流表改装成了欧姆表。由图4可知,串联结构欧姆表表盘刻度左边密右边疏,零刻度在右边。[4]

欧姆表内电阻值不同,同一偏转角度所对应的阻值就不同。[5]可见,欧姆表挡位是由其内电阻值决定的。所以要改变欧姆表的挡位,只需改变欧姆表内阻即可。若欧姆表的内阻变为原来的10倍,则指针所指的刻度值也就变为了原来的10倍,即表盘上所有的读数都变为原来的10倍,这样就实现了挡位的转换。

图5

3 拓展应用

例：某兴趣小组利用电池、毫安表(内阻Rg为90 Ω)和滑动变阻器改装成了一个“×10”倍率的欧姆表,其原理如图3甲所示,表盘上电阻刻度值未标出。将两表笔短接,调节滑动变阻器使毫安表指针满偏后,进行了如下操作:

(1) 将阻值为200 Ω的电阻接在两表笔之间,毫安表示数为7.5 mA;再将阻值为400 Ω的电阻接在两表笔之间,毫安表示数为5.0 mA。计算得电池的电动势E=,改装后的欧姆表内阻R内=,毫安表的满偏电流Ig=。

(2) 在电流刻度值为满偏的位置标上0 Ω,在电流刻度值为2.5 mA的位置标上Ω,并在其他位置标上相应的电阻刻度值。

(3) 若将该欧姆表改装成“×1”的倍率,则需要将毫安表(填“串联”或“并联”)一个阻值为Ω的定值电阻,再进行欧姆表调零。

(4) 该欧姆表用久后,电池老化导致电动势变小,内阻变大,但仍可以进行欧姆表调零,测得的阻值(填“大于”“等于”或“小于”)真实值。

(5) 为了减小因电池老化而产生的误差,该小组用一电压表对原电阻刻度值进行修正。将欧姆表的两表笔短接,调节R,使指针满偏;再将电压表接在两表笔之间,此时电压表示数为1.74 V,欧姆表示数为300 Ω,则电压表的内阻为Ω,原电阻刻度值1 200 Ω应修改为Ω。

点评：求解本题的关键是要知道欧姆表的内部结构和欧姆表的总内阻等于表盘的中值电阻。通过实例分析,使学生明白贯穿欧姆表问题解决的主线是电流。抓住电流这个关键要素,去分析欧姆表换挡和校准问题,让学生在解决实际问题的过程中加深对闭合电路欧姆定律的理解。

4 结语

本文介绍了并联结构欧姆表和串联结构欧姆表,并详细分析了实际应用中较常见的串联结构欧姆表的原理。在欧姆表设计中探讨表盘刻度的问题,让学生体验了转换研究对象的思维方法;在分析欧姆表校准过程中使学生习得以“不变”应“万变”的思维方法,培养学生的科学思维和科学探究能力。结合例题的分析让学生从物理原理入手,弄清与欧姆表相关问题的来龙去脉,抓住其物理本质,培养学生分析问题、解决问题的能力,提升他们的核心素养。