電表內(nèi)阻測量的誤差分析及改進方法

1、電表內(nèi)阻測量的方法及誤差分析溆浦縣江維中學(xué) 張良青摘要 電表改裝不管是老教材還是新教材都有相關(guān)的內(nèi)容，高考也時有出現(xiàn)，而測電表的內(nèi)阻是電表改裝的前提。本文分析了“半偏法”測電表內(nèi)阻的原理，分析了實驗誤差的產(chǎn)生，并提出了實驗改進方。還介紹了替代法、電流表法、電壓表法等其它測電表內(nèi)阻的方法。關(guān)鍵詞 電表 電路圖 電流 電阻 內(nèi)阻 電阻箱電表改裝成電流表、電壓表，在高考中時有出現(xiàn)，只有測出電表的內(nèi)阻，才能順利的進行電流表改裝。只有正確地分析出在內(nèi)阻測量中的誤差，才能正確的分析出改裝后的電表的測量值是偏大還是偏小。下面就電表內(nèi)阻測量方法及誤差分析談?wù)勎业囊恍┛捶?。電表?nèi)阻的測量通常采用“半偏法”，“半

2、偏法”測電表內(nèi)阻的原理實際上是“比較法”。一、電流“半偏法”原理電路如圖1 所示，閉合電鍵S1，調(diào)整R的阻值，使電流表指針轉(zhuǎn)到滿刻度Ig，再閉合電鍵S2，保持R不變，調(diào)整電阻箱R¢，使電流表指針偏轉(zhuǎn)到剛好是滿 刻度的一半，即Ig2。根據(jù)并聯(lián)電路分流關(guān)系，總電流 圖 為Ig，電流表電流為Ig，則電阻R1中的電流也為 I2=Ig， 22因為并聯(lián)分流與電阻的關(guān)系 I1=R2， I2R1因為電流相等，所以 Rg=R¢2誤差分析此實驗中忽略了S2 閉合后R1與電流表并聯(lián)對電路的影響。實際上，在S1閉合而S2斷開時，總電流 Ig=在S2 閉合后，總電流 I=E R+Rg+rIgE=I1

3、+ g2R+r+Rg+R¢由式可知 Ig<I1+Ig2所以 I1>Ig2 由并聯(lián)分流電流與電阻的關(guān)系及式可知 R¢<Rg 即Rg的測量值小于真實值。誤差產(chǎn)生的原因在于當電鍵S2 閉合時，總電阻減小了，而電路中的電流變大了，因此要減小這個誤差，就得使電鍵S2 閉合前后電路中的電流的變化要小，由可知，就要求 R>>R¢。然而R¢»Rg，所以R¢不能減小，在實驗時，只能使R盡可能大些，而R較大，又要使電路中的電流能達到電流表的滿偏電電流Ig ，則電源的電動勢E也應(yīng)適當選得大一些。3改進方法電路改進如圖2 ，閉合

4、電鍵S1，調(diào)整R2的阻值，使電流表指針轉(zhuǎn)到滿刻度Ig，記下電流表A的示數(shù)Ig。再閉合電鍵S2，調(diào)整電阻箱R¢，同時調(diào)整R ，使電流表A的示數(shù)保持Ig不變，使電流表G指 圖2 針偏轉(zhuǎn)到下好是滿刻度的一半，即那么電阻R¢的電流 I1=二、電壓半偏法電路如圖3，閉合S1、S，調(diào)節(jié)R使電表G滿偏，再斷開S1，保持R不變，調(diào)1UR節(jié)R¢使電表G半偏，即U=Ug。根據(jù)串聯(lián)電路分壓關(guān)系1=1， 2U2R2Ig2。 Ig2，則電流表G的內(nèi)阻 Rg=R¢則 Rg=R¢ S12誤差分析此實驗是采用串聯(lián)分壓與電阻的關(guān)系來分析的。但在實驗過程中忽略了電阻R¢

5、接入電路時對電路的影響，認為在R¢接入電路前后電路中的電壓分配情況沒發(fā)生變化。實際上，當電鍵S、S1都閉合時，電路為Rg與R左邊一部分電阻R左并聯(lián)后再與 圖3R右邊一部分電阻R右串聯(lián)，則電表G兩端的電壓為Ug 。 2并聯(lián)部分的電阻 R并=并聯(lián)部分電路兩端的電壓 Ug=Rg×R左Rg+R左R并E R并+R右+r當S1斷開后，電路為Rg與R¢串聯(lián)后再與R左并，然后再與R右串聯(lián)。則：R左×(Rg+R¢)¢=并聯(lián)部分電路的電阻變?yōu)?R并 R左+Rg+R¢并聯(lián)部分電路兩端的電壓變?yōu)?U并=¢R并¢+R右+rR并E

6、由、式可知，S1斷開后并聯(lián)部分電路的電阻R并增大了。由、式可知，R并增大，則U并增大，即 U并>Ug 則電阻箱R1兩端的電壓 U1=U并-Ug2所以 U1>Ug2由串聯(lián)電路分壓關(guān)系 R¢>Rg即測量值大于真實值。要減小誤差，就要求R1接入電路時對電路的影響要小，那就要求 R>>R¢。 3改進方法改進電路如圖4所示。在S、S閉合時調(diào)節(jié)R1使電表G滿偏時，記下電壓表V的示數(shù)，當電鍵S1斷開后，在調(diào)節(jié)R使電表G半偏的過程中也同時調(diào)節(jié)滑動變阻器R1保持電壓表V的示數(shù)不變。 那么當電表G的示數(shù)剛好為Ug2圖4時，電阻箱R1的阻值為電表G的內(nèi)阻，即 Rg三

7、、測電表內(nèi)阻的其它方法=R1替代法電路如圖5所示：閉合電鍵S1，使S2與“a調(diào)節(jié)R，使G0的指針指一定電流I，然后把接“b”，調(diào)節(jié)R1使G0的示數(shù)仍為I 。則Rg=R12電壓表法（伏安法）由于電壓表或電流表的量程太小或太大，為了滿足安全、精確的原則，一般需加保護電阻。電路如圖6所示：閉合電鍵，調(diào)節(jié)滑動變阻器R1和電阻箱R的阻值，讀出電壓表，電流表的讀數(shù)分別為U和I ，則通過A的電流為I，其兩端的電壓為 Ug=(U-IR) 圖6則電流表G的內(nèi)阻 Rg=UgI=U-IR I【例1】某電流表的內(nèi)阻在0.1W-0.2W之間，現(xiàn)要測量其內(nèi)阻，可選用的器材如下：A. 待測的電流表A1（量程0.6A）；B.

8、 電壓表V1（量程3V，內(nèi)阻約2kW）；C. 滑動變阻器R1（最大電阻10W）；D. 定值電阻R2（阻值5W）；E. 電源E（電動勢4V）F. 電鍵S及導(dǎo)線若干。（1）畫出實驗電路圖；（2）如測得電壓表的讀數(shù)為U，電流表的讀數(shù)為I，則電流表A1內(nèi)阻的表達式為：RA= 。分析與解：許多學(xué)生讀完此題，就知道實驗原理是伏安法，由于設(shè)計電路時沒有考慮電壓表和電流表的量程，當然做不正確。少數(shù)考生想到電流表的內(nèi)阻在0.1W-0.2W之間，量程為0.6A，電流表上的最大電壓為0.12V，因而電壓表不能并聯(lián)在電流表的兩端，由于缺乏創(chuàng)新意識，也做不正確。只有極少數(shù)想到要加保護電阻的學(xué)生才能做正確，因為本題必須將

9、一個阻值為5W的定值電阻R2與電流表串聯(lián)，再與電壓表并聯(lián)，才滿足要求；再者量程為3V的電壓表其量程雖然小于電源電動勢（4V），但可在電路中接入滑動變阻器進行保護；滑動變阻器在本實驗中分壓與限流的連接方式均符合要求，但考慮限流的連接方式節(jié)能些，因而滑動變阻器采用限流的連接方式。故本題設(shè)計電路圖如圖7所示；電流表A1內(nèi)阻的表 4達式為：RA=U-R2I。 圖73電流表法（安安法） 電路如圖8所示：閉合電鍵S，調(diào)節(jié)R、R1，讀出G、Go的讀數(shù)分別為I、Io ，則：R兩端電壓為U=(Io-I)R1則電表G兩端的電壓也為 U=(Io-I)RI 圖8 所以，電表G的內(nèi)阻 Rg=4求差法 (Io-I)R電路

10、如圖9所示：先閉合S1、S2，調(diào)節(jié)電阻箱R，使Go滿偏，此時電阻箱讀數(shù)為R1，其次再斷開S2，調(diào)節(jié)電阻箱，再次使用權(quán)電表Go滿偏， 圖9此時電阻箱的讀數(shù)為R2。則：兩電路中電流相等，說明兩次電路的總電阻相等，即：R1+Ro+ro+r=R2+Ro+ro+r+Rg所以 Rg=R1-R2式中Ro為滑動變阻器的電阻，ro為電表Go的內(nèi)阻，r為電源的內(nèi)阻。5. 用內(nèi)阻、量程已知的電流表代替電壓表（安安法）兩個電流表法是利用兩塊電流表測電阻的一種方法，這一方法的創(chuàng)新思維是運用電流表測電壓（或算電壓），此方法適用于電壓表不能用或沒有電壓表等情形。按圖10連接電路，G為待測內(nèi)阻的電流表，G¢為內(nèi)阻、

11、量程已知的標準電流表，E為干電池一節(jié)，R為阻值為幾十歐姆的滑動變阻器。調(diào)節(jié)變阻器R，使兩電流表的指針均有較大的偏轉(zhuǎn)。讀出電¢流表G¢的示值IG，設(shè)其內(nèi)阻rg¢；讀出被測電流表G的示值IG，則可得出電流表G的內(nèi)阻值:rg=¢×rg¢IGIG 圖10 5【例2】從下列器材中選出適當?shù)膶嶒炂鞑?，設(shè)計一個電路來測量電流表A1的內(nèi)阻r1，要求方法簡捷，有盡可能高的精確度，并測量多組數(shù)據(jù)。（1）畫出實驗電路圖：標明所用器材的代號。（2）若選取測量中的一組數(shù)據(jù)來計算r1，則所用的表達式r1= ，式中各符號的意義是： 。器材（代號）與規(guī)格如下：電流表

12、A1，量程10mA，內(nèi)阻待測（約40W）；電流表A2，量程500mA，內(nèi)阻r2=750W；電壓表V，量程10V，內(nèi)阻r2=10kW電阻R1，阻值約為100W；滑動變阻器R2，總阻值約50W；電池E，電動勢1.5V，內(nèi)阻很??；電鍵K，導(dǎo)線若干。分析與解：大多數(shù)學(xué)生看到此題，第一感覺考慮的就是伏安法，由于沒有考慮電表的量程，當然做不正確。少數(shù)考生想到要滿足“有盡可能高的精確度”的條件，認為電壓U的測定，不能選量程是10V的電壓表。因為電流表兩端允許施加的最大電壓約為0.4V，因而電壓表不能準確測出電流表的兩端的電壓，但由于缺乏創(chuàng)新精神，想不出其他方法，也做不正確。只有有“安安”法新思路的學(xué)生才能做

13、正確。答案：將電流表A2并聯(lián)在電流表A1的兩端，利用電流表測量電壓；要滿足“多測幾組數(shù)據(jù)”，滑動變阻器R2采用分壓接法；實驗電路如圖11所示，其表達式r1=I2r2， I1式中I1、I2、r1、r2分別表示通過電流表A1、A2的電流和它們的內(nèi)阻。三、電壓表內(nèi)阻測量的方法其實電壓表內(nèi)阻的測量和一般電阻的測量一樣，所不同的就是電壓表可提供自身兩端的電壓值作為已知條件。因此，在測量電壓表內(nèi)阻的實驗中，要靈活運用 6 圖11所學(xué)過的實驗方法，依據(jù)實驗原理和實驗儀器，按照題設(shè)要求和條件進行合理的測量。1. 利用伏安法測量電壓表是測定電路兩端電壓的儀器，理想電壓表的內(nèi)阻可視為無限大，但實際使用的電壓表內(nèi)阻

14、并不是無限大。為了測量某一電壓表的內(nèi)阻，給出的器材有：A. 待測電壓表（0-3V，內(nèi)阻在3.5-4.5kW之間）；B. 電流表（0-1mA）；C. 滑動變阻器(0-50W)；D. 電源（1.5V的干電池兩節(jié)）；E. 開U，測量電壓表示數(shù)U和電I流表示數(shù)I即可，由于滑動變阻器最大阻值遠小于被測內(nèi)阻關(guān)和若干導(dǎo)線。利用伏安法R=值，為了滿足多測幾組數(shù)據(jù)，利用作圖法求電壓表的內(nèi)阻，應(yīng)選用滑動變阻器分壓式電路，電路如圖12所示。2.利用“伏伏”法測電壓表的內(nèi)阻 圖12“伏伏”法是利用兩塊電壓表測電阻的一種方法，這一方法的創(chuàng)新思維是運用電壓表測電流（或算電流），此方法適用于電流表不能用或沒有電流表等情形。

15、【例3】為了測量量程為3V的電壓表V的內(nèi)阻（內(nèi)阻約2000W），實驗室可以提供的器材有：電流表A1，量程為0.6A，內(nèi)阻約0.1W；電壓表V2，量程為5V，內(nèi)阻約3500W；變阻箱R1阻值范圍為0-9999W；變阻箱R2阻值范圍為0-99.9W；滑動變阻器R3，最大阻值約為100W，額定電流1.5A；電源E，電動勢6V，內(nèi)阻約0.5W；單刀單擲開關(guān)K，導(dǎo)線若干。（1）請從上述器材中選擇必要的器材，設(shè)計一個測量電壓表V的內(nèi)阻的實驗電路，畫出電路原理圖（圖中的元件要用題中相應(yīng)的英文字母標注），要求測量盡量準確。（2）寫出計算電壓表V的內(nèi)阻RV的計算公式為RV= 。分析與解：多數(shù)考生解答此題，毫不猶

16、豫地套用伏安法，由于沒有考慮電表的量程，當然做不正確。少數(shù)考生想到待測電壓表的量程為3V，內(nèi)阻約2000W，電 7壓表中的最大電流為I=3A=1.5mA=0.0015A2000，認為電流表不能準確測量，但由于創(chuàng)新能力差，也做不正確。只有極少數(shù)有“伏伏”法新理念的考生才能做正確。答案：（1）測量電壓表V的內(nèi)阻的實驗電路如圖13所示。（2）電壓表V的示數(shù)U，電壓表V2的示數(shù)U2，電阻箱R1的讀數(shù)r1。根據(jù)歐姆定律，利用通過電壓表的電流與通過電阻R1的電流相等，算出電壓表的電阻為RV=3.利用半偏法測量方法一：用如圖14所示電路測量。實驗方法和步驟是： 斷開開關(guān)S，按圖3連接好電路； 把滑動變阻器的

17、觸頭P滑到b端； 將電阻箱的阻值調(diào)到零； 閉合開關(guān)S； 調(diào)節(jié)滑動變阻器R的阻值，使電壓表指針達到滿偏； 調(diào)節(jié)電阻箱R0的阻值，使電壓表指針達到半偏，讀出此時電阻箱R0的阻值，即為電壓表的內(nèi)電阻RV的測量值。利用已知電動勢的電源和電阻箱測量。實驗電路如圖15所示，由于電源的電動勢準確給出，只需調(diào)節(jié)R記下阻值，讀出對應(yīng)的電壓值U，由串UR。 聯(lián)分配規(guī)律可得：RV=E-U4.利用電流表和定值電阻測量實驗電路如圖16所示，圖中E為電源，R為滑動變阻器，圖14 Ur1。 U2-U圖13 圖15R0為已知定值電阻，A為電流表，V為一個有刻度但無刻度值的電壓表，現(xiàn)要測電壓表V的內(nèi)阻RV。實驗步驟如下：閉合開關(guān)S1、S2，調(diào)節(jié)R的滑動觸頭使電壓表V滿偏，設(shè)滿æUmö偏電壓為Um，讀出電流表A示數(shù)為I1，有Um=çI-ç1R÷÷ Vøè圖16閉合S1，斷開S2，調(diào)節(jié)R的滑動觸頭使電壓表V滿偏Um，讀出電流表A示數(shù)為I2， 8有Um=I2RV 聯(lián)立式，可得電壓