第3章 第3节 科学测量:用多用电表测量电学量

电压可直接用电压表测量,电流可直接用电流表测量,是否有一种仪器可用以测量电压、电流和电阻呢?本节学习使用多用电表直接测量电压、电流和电阻这些电学量。

1.认识多用电表

电压表是依据串联电路的分压特点,由电流计改装而成的;电流表是依据并联电路的分流特点,由电流计改装而成的。那么,能否利用电流计设计出直接测量电阻的仪器呢?

如图 4-11 所示, 在满偏电流为 Ig、内阻为 Rg 的电流计上串联一个电动势为 E、内阻为 r 的电源和一个可变电阻 R1,AB 两端接有一个待测电阻 R。根据闭合电路欧姆定律,回路中的电流 I = \(\frac{E}{{{R_1} + r + {R_g} + R}}\),则待测电阻 R =  \(\frac{E}{I}\)  −(R1 + r + Rg)。在 ER1 + r + Rg 不变的情况下,待测电阻 R 与回路中电流 I 有着一一对应的关系,由此便可在电流计刻度盘上直接标识电阻 R,这就是欧姆表。

图 4-11 欧姆表测量电阻电路图

电压表、电流表和欧姆表有着共同的组成部分——小量程的电流计。能否将这三种表的测量功能结合起来,制作一个能直接测量电压、电流、电阻的仪器呢?答案是肯定的,多用电表就是这样一种测量仪器。

多用电表也称“万用表”,是一种集测量电压、电流和电阻等,科学实验、生产生活中应用广泛。

图 4-12 是指针式多用电表的外形图。表的上半部是表盘, 该多用电表的表盘上有三条刻度线,最上方的刻度线为电阻示数,中间的刻度线为直流电压、直流电流和交流电压示数,最下方的刻度线表示量程为 2.5 V 的交流电压示数。表的下半部有选择开关,可选择欧姆挡(Ω)、直流电流挡(mA)、直流电压挡(V)和交流电压挡(\({\rm{\tilde V}}\),注:波浪线应在下方,但网页上打不出来),欧姆挡上的数值表示倍率,其他挡位的数值表示量程,测量时要注意量程和最小分度值。另外,还有标有正、负的测试笔插孔,机械调零及欧姆调零旋钮等。

图 4-12 指针式多用电表

2.多用电表的读数

用多用电表测量电压、电流和电阻时如何读数呢?下面通过案例来说明。

例如,在测量直流电压时,若选择开关对应的量程为 2.5 V,指针位置如图 4-13 所示。看第二排刻度线(可参考第一排数字),由此量程可确定刻度每大格(相邻有数字的刻度间)值为 0.5 V,每小格值为 0.05 V,即测量精度为 0.05 V。由指针位置可读得电压准确值为 2.1 V,估读值为小格值的 \(\frac{2}{5}\) ,即 0.02 V,所以电压测量值为 2.12 V。

图 4-13 电压示数

在测量电流时,若选择开关对应的量程为 100 mA,指针位置如图 4-14 所示。看第二排刻度线(可参考第三排数字),由此量程可确定刻度每大格值为 20 mA,每小格值为 2 mA,即测量精度为 2 mA。由于指针位置接近 92 mA,所以电流测量值为 92 mA。请思考,第二排刻度线中为何标出三排数字?

图 4-14 电流示数

在测量电阻时,若选择倍率“×10”,指针位置如图 4-15 所示。看第一排刻度线,由刻度 10~15 有 5 小格,可确定每小格值为 1。由 指 针 位 置 可 读 得 刻 度 值 为 10.6,倍率为 “×10”,电阻测量值为 106 Ω。

图 4-15 电阻示数

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数字式多用电表

随着大规模集成电路的发展,数字式多用电表(图 4-16)逐渐得到了广泛使用。数字式多用电表利用了数字电路技术,具有多方面的优点:测量值以数字形式直接显示, 读数准确,可靠性好;体积小,质量轻,操作便捷;挡位多,功能全,适用性广等。

图 4-16 数字式多用电表

3.用多用电表测量电学量

实验目的

(1)用多用电表测量电路元件的电压值。

(2)用多用电表测量电路元件的电流值。

(3)用多用电表测量电阻的电阻值。

实验器材

多用电表、不同阻值的电阻、学生电源、小灯泡、滑动变阻器、开关、导线等。

实验原理与设计

多用电表的核心是一个直流灵敏电流计 G,即表头。表头与电阻、开关等组成不同的测量电路。

图 4-17 是一种测量直流电流、电压和电阻的多用电表原理示意图。

图 4-17 多用电表原理示意图

用多用电表测直流电流和电压的原理,实质上就是我们学过的分流和分压原理。在图 4-17 中,若将选择开关拨至触点“1”或“2”,可构成不同量程的电流表;若将选择开关拨至触点“3”或“4”,可构成不同量程的电压表;若将选择开关拨至触点“5”,可构成欧姆表。

在图 4-17 中,R6 为可变电阻,R′(即 R5 + R6)称为调零电阻,电阻挡的表头与直流电压挡的表头相同,如图中虚线框所示。

待测电阻 Rx 接入公共端(黑表笔)和测量端“5”后,形成闭合电路。根据闭合电路欧姆定律,由对图 4-11 的讨论可知,在电源电动势 E 和欧姆表内部总电阻确定的情况下,Rx 与 I 有着一一对应的关系。

测量电阻前,需先将多用电表的两表笔直接相连,调节调零电阻 R′ 使指针满偏,以校准欧姆表内部的总电阻。

安全警示

注意用电安全。闭合开关前一定要确认电路连接正确,避免短路。小心使用多用电表,若待测量值无法估计,可先选择大量程挡测量,再调选合适的量程,以免损坏指针或烧坏电表。

实验步骤

(1)用多用电表测量电路元件的电压值

① 按图 4-18 所示电路图连接实验器材,给小灯泡供电。

图 4-18 实验电路图

② 观察多用电表指针是否在零刻度。若不在零刻度,则用螺丝刀转动机械调零旋钮,使指针停于左端零刻度。

③ 将多用电表的选择开关旋至直流电压挡,使其量程大于小灯泡两端电压的估计值。

④ 将两表笔分别接触灯泡两端的接线柱,读出小灯泡两端的电压。

(2)用多用电表测量通过电路元件的电流值

参照图 4-18 所示电路图,写出用多用电表测量小灯泡工作时电流值的实验步骤,并完成相关操作。

(3)用多用电表测量电阻的电阻值

① 检查多用电表指针是否仍在左端零刻度。

② 估测待测电阻的电阻值,将多用电表的选择开关旋至合适倍率的欧姆挡。

③ 将黑、红表笔短接,调节欧姆调零旋钮,使指针指在右端电阻零刻度处。

④ 将表笔搭在待测电阻两端,读取被测电阻的阻值。通常电阻上的标称值与测量值之间有误差,算出对应的相对误差。

⑤ 实验完成之后,将表笔从插孔拔出,并将选择开关旋到“OFF”位置或交流电压最高挡;若长期不用,应取出电池。

方法点拨

(1)量程的选择原则测量电流和电压时,尽量使指针超过 \(\frac{1}{2}\) 量程。测量电阻时,尽量使指针落在刻度盘中间区域。若不能估测电阻的大小,则先用中等倍率的某个欧姆挡试测,然后选择合适挡位再测。

(2)多用电表使用的注意事项测试前,先检查指针是否指在左端“0”刻线,若没有,则要机械调零。测电阻时还要欧姆调零。测试时,手不要碰表笔的金属触针,以保证安全和准确测量。测电压时,红表笔接触点的电势高于黑表笔接触点的电势;测电流时,电流应从红表笔流入电表。


实验结论

请写出实验结论。

讨论

与同学分享测量结果,讨论多用电表的使用方法、读数要领、实验误差及如何应用于实际生活等方面的问题。请测量二极管的正、反向电阻,讨论并体会二极管的单向导电性。

素养提升

能提出并准确表述在实验中可能遇到的物理问题;会写实验步骤,能用多用电表测量电压、电流和电阻,能注意实验安全;能分析实验数据,测得相关电学量,会分析实验误差;能撰写完整的实验报告,在报告中能呈现设计的实验步骤、实验表格,以及数据分析过程和实验结论,能有针对性地反思交流过程与结果。注意提升实验数据读取能力、联系实际的能力及交流讨论能力。

——科学探究

迷你实验室

自来水和盐水的电阻有多大

取两根长 8 ~ 10 cm、内径约 2 cm、两端开口的玻璃管(或塑料管),先将两玻璃管的一端用塞子堵住,分别注入自来水、盐水,再用塞子堵住另一端。在两端塞子上插入针或硬导线作为引线。

估计自来水和盐水的电阻值(或测试),选取合适倍率的欧姆挡。

用多用电表分别测量自来水和盐水的电阻(图 4-19),验证你所估计的电阻值和所选择的倍率挡的准确程度。

图 4-19 实验器材

物理在线 请上网查阅相关内容,了解各种多用电表的使用方法。

节练习

1.请撰写“用多用电表测量电学量”的实验报告,注意在报告中呈现设计的实验步骤、实验表格,以及数据分析过程和实验结论,并有针对性地讨论测量时的注意事项。

参考解答:略

 

2.甲、乙两位同学使用多用电表欧姆挡测同一个电阻时,都把选择开关旋到“×100”挡,并能正确操作。他们发现指针偏角太小,于是甲把选择开关旋到“×1 k”挡,乙把选择开关旋到“×10”挡,但乙重新欧姆调零,而甲没有。两个同学的选挡谁正确?操作谁正确?为什么?

参考解答:甲同学选挡正确,乙同学操作正确。

选择开关旋到“×100”挡,正确操作,指针偏转太小,说明所选挡位太小,所以应把选择开关选到“×1 k”档,然后进行欧姆调零,再测电阻。由此可知,甲的选挡是正确的,但操作是错误的,乙的选挡是错误的,但操作是正确的。

 

3.关于多用电表表盘上的刻度线,下列说法正确的是

A.直流电流刻度线和直流电压刻度线都是均匀的,可以共用一个刻度盘

B.电阻刻度是不均匀的

C.电阻刻度上的零刻度与直流电流的最大刻度线相对应

D.电阻刻度上的零刻度与直流电流的零刻度线相对应

参考解答:ABC

 

4.在使用多用电表测电阻时,要先将两表笔短接,调节表上欧姆调零旋钮,使指针指到表盘上电阻的示数为________处。测量某电池的路端电压时,要将红表笔接到电池的_______极;测量电流时,要使电流由_________表笔流入多用电表。

参考解答:0,正,红

 

5.在如图所示电路的三根导线中,有一根是断的,电源、电阻 R1R2 以及另外两根导线都是好的。为了查出断导线,某同学想先将多用电表的红表笔连接电源的正极 a,再将黑表笔分别连接电阻器  R1 的 b 端和 R2 的 c 端,并观察多用电表指针的示数。在下列选挡中,符合操作规程的是

A.直流 10 V 挡

B.直流 0.5 A 挡

C.直流 2.5 V 挡

D.欧姆挡

参考解答:A

 

6.多用电表可用来测量电阻、电流和电压。某次测量时,其表针指示如图所示。

(1)若是选用倍率为“×100”的欧姆挡测电阻,则所测电阻的阻值为_________Ω。如果要用此多用电表测量一个阻值约为 2.0×104 Ω 的电阻,为了使测量结果比较精确,应选用的欧姆挡是__________(选填“×10”“×100”或“×1 k”)。

(2)若是选用量程为 50 mA 的电流挡测量电流,则所测电流为___________ mA ;若是选用量程为 250 mA 的电流挡测量电流,则所测电流为__________ mA。

(3)若是选用量程为 10 V 的电压挡测量电压,则所测电压为___________ V。

参考解答:(1)680(660 ~ 690 均正确),×1 k

(2)34.5(34.4 ~ 34.6 均正确),173(171 ~ 174 均正确)

(3)6.9(6.8 ~ 7.0 均正确)

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发布时间:2022/4/26 21:58:35  阅读次数:2080

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