高中物理教科版1第二章直流電路單元測試 高質作品

學案13學生實驗：將表頭改裝成電流表、電壓表[學習目標定位]1、進一步鞏固串并聯(lián)電路的特點；2、掌握一種測定電流表表頭內(nèi)阻的方法；3、學會將表頭改裝成電流表和電壓表；4、學會使用電阻箱。一、知識準備1、有關表頭：靈敏電流計，由于其量程太小，一般只能測量μA級電流和mV級電壓，一般情況下不能直接測量電流，而是用于檢測有無電流和電流的方向，常作為改裝量程較大的電流表和電壓表的表頭使用，所以俗稱表頭，若要用它來測量較大的電流和電壓，就必須通過改裝來擴大其量程。磁電式系列多量程表都是用這種方法制成的，電表改裝的原理在實際中應用非常廣泛。2、表頭參數(shù)：（1）內(nèi)阻Rg；表頭內(nèi)線圈的電阻稱為表頭的內(nèi)阻，一般也在100Ω左右。（2）滿偏電流Ig：是指針偏轉到最大刻度時的電流，也是表頭的量程，一般從幾十微安到幾毫安，Ig越小，表頭的靈敏度就越高。（3）滿偏電壓Ug：指針偏轉到最大刻度時，電流表兩端的電壓叫做滿偏電壓，是指表頭允許加上的最大電壓，由歐姆定律可得Ug=IgRg，也是一個比較小的電壓。二、改裝方法1、根據(jù)并聯(lián)分流的原理，將一個小電阻與表頭并聯(lián)，就可以改裝成一個大量程的電流表。2、根據(jù)串聯(lián)分壓的原理，將一個大電阻與表頭串聯(lián)，就可以改裝成一個大量程的電壓表。三、實驗儀器表頭、標準電流表、標準電壓表、滑動變阻器、電阻箱、電池、開關（單刀單擲和雙擲）和導線等。一、將表頭改裝成大量程電流表1、原理圖如右圖所示2、原理在原理圖中，超量程部分的電流從分流電阻R并上流過，而表頭仍保持原來允許流過的最大電流Ig。圖中虛線框內(nèi)由表頭和R并組成的整體就是改裝后的電流表。設表頭改裝后的量程為I，根據(jù)并聯(lián)電路的特點、歐姆定律得IgRg＝(I－Ig)R并：解得R并＝eq\f(Ig,I－Ig)Rg，則若I=nIg，則R并=，并且改裝成功后電流表的總內(nèi)阻RA＝eq\f(RRg,R＋Rg)。3、方法當表頭的參量Ig、Rg確定后，根據(jù)所要擴大量程的倍數(shù)n，計算出需要并聯(lián)的分流電阻R并，實現(xiàn)靈敏電流計的擴程，接著將表盤進行相應改動，最后再對其進行校正就完成了整個表頭的改裝，同一表頭，并聯(lián)不同的分流電阻R并就可得到不同量程的電流表。二、將表頭改裝成大量程電壓表1、原理圖如右圖所示2、原理表頭的電壓量程Ug=IgRg，雖然可以直接用來測量電壓，但是電壓量程很小，不能滿足實際需要。為了能測量較高的電壓，就必須擴大它的電壓量程。擴大電壓量程的方法是在表頭上串聯(lián)一個分壓電阻R串。使超出量程部分的電壓加在分壓電阻上，表頭上的電壓仍不超過原來的電壓量程。在原理圖中，欲改成的電壓表的量程為U，根據(jù)并聯(lián)電路的特點、歐姆定律得，U＝Ig(R串＋Rg)，解得R串＝eq\f(U,Ig)－Rg，則若U=nUg，則R串＝（n－1）Rg，并且改裝成功后電壓表的總內(nèi)阻RV＝Rg＋R。3、方法當表頭的參量Ig、Rg確定后，根據(jù)所要擴大量程的倍數(shù)n，計算出需要并聯(lián)的分流電阻R串，實現(xiàn)靈敏電流計的擴程，接著將表盤進行相應改動，最后再對其進行校正就完成了整個表頭的改裝。同一表頭，串聯(lián)不同的分壓電阻R串就可得到不同量程的電壓表。三、實驗內(nèi)容及步驟（一）、測量表頭內(nèi)阻：1、電流半偏法（1）實驗原理如右圖所示，其中R為滑動變阻器（或電位器），R′為電阻箱，G為待測表頭。（2）實驗操作順序①按原理圖連結好電路，斷開S1、S1，將R阻值調到最大；②合上S1，調節(jié)R，使電表G達到滿偏；③保持R阻值不變，再合上S2，調節(jié)R′，使G達到半偏；④斷開S1，記下R′的阻值；⑤在R>>R′時，Rg=R′。（3）誤差分析本實驗是在R>>R′的情況下，并入R′后，對總電阻影響很小，即認為干路電流仍等于Ig時，近似認為Rg=R′。但實際上并入R′后，總電阻減小，干路電流I>Ig，通過R′的電流IR'>Ig/2，因此，Rg>R′。所以測量值比真實值偏小，而且Rg越小，測量誤差越小。2、電壓半偏法（1）實驗原理如右圖所示，其中R為滑動變阻器，R′為電阻箱，V為待測電表。（2）實驗操作順序①按原理圖連結電路，斷開S，并將滑片置于最左端，調節(jié)R′=0；②合上S，調節(jié)滑動變阻器R，使電表達到滿偏；③保持滑片位置不動，調節(jié)電阻箱R′的阻值，使電表半偏；④斷開S，記下R′的讀數(shù)；⑤在R<<R′時，Rv=R′。（3）誤差分析本實驗是在R<<R′的情況下，串入R′后，對回路總電阻影響很小，可以忽略不計，即分壓部分的電壓保持不變，所以當電表半偏時，認為：Rv=R′。實際上串入了R′之后，并聯(lián)部分的電阻增大，分得的電壓增加了，R′兩端的電壓UR′>Ug/2，因此，R′>Rv。所以測量值大于真實值，而且Rv越大，測量誤差越小。綜上所述，用半偏法測電表內(nèi)阻時，一般需要一個滑動變阻器和電阻箱，而且滑動變阻器的電阻與待測電阻懸殊較大。當待測電阻阻值遠大于滑動變阻器的總電阻時，用電壓半偏法，測量值偏大；當待測電阻遠小于滑動變阻器的總電阻時，用電流半偏法，測量值偏小。簡記為“大大小小”（即測大電阻，用分壓半偏，測量值偏大；測小電阻，用限流半偏，測量值偏小）。3、替代法測表頭內(nèi)阻電路圖（1）實驗原理如右圖所示，其中R1為電阻箱或阻值較大的滑動變阻器，R2為電阻箱，G1為標準小量程電流表，G為待測表頭，K2為單刀雙擲開關。（2）實驗操作順序①按原理圖連結電路，斷開K1和K2，并將R1連入電路的阻值調至最大；②先合上K1，再將K2扳向“a”端，調節(jié)R1使標準表示值對準某一整數(shù)值I0（如80μA）；③保持R1不變，將K2扳向“b”端（以R2代替Rg）。這時只調節(jié)R2，使標準電流表示值仍為I0；④斷開K1，讀取R2的讀數(shù)計入事先設計好的表格；⑤改變I0，再做兩次②③④；⑥計算三次的R2平均值作為Rg的測量值。（3）誤差分析本實驗用替代法測量表頭內(nèi)阻，回避了系統(tǒng)誤差，但是仍有偶然誤差。（4）說明：標準表的電流在調節(jié)R2時一定不能變化。（二）將表頭改裝成大量程的電流表（1）根據(jù)測出的表頭內(nèi)阻，求出分流電阻R并。按右圖連接好線路。然后將電阻箱R并調到該值后，圖中的虛線框即為改裝的大量程的電流表。（2）校準電流表量程：先調好表頭零點（機械零點），然后按右圖連接好電路。然后調節(jié)R1和R2使標準表示值為改裝表量程。這時改裝表示值應該正好是滿刻度值，若有偏離，可反復調節(jié)R1、R2和Rs，直到標準表和改裝表均和滿刻度線對齊為止，這時改裝表量程就符合要求，此時Rs的值才為實驗值，否則電流表的改裝就沒有達到要求?。?）校正改裝表：保持RS不變，調節(jié)R1、R2使改裝表示值Ix按從大到小的要求變化，結合標準表A的相應示值IS進行修正。（三）將表頭改裝成大量程的電壓表（1）根據(jù)測出的表頭內(nèi)阻，求出分壓電阻R串。按右圖連接好線路。然后將電阻箱R串調到該值后，圖中的虛線框即為改裝的大量程的電壓表。（2）校準電流表量程：先調好表頭零點（機械零點），然后按右圖連接好電路。然后調節(jié)R1和R2使標準表示值為改裝表量程。這時改裝表示值應該正好是滿刻度值，若有偏離，可反復調節(jié)R1、R2和Rs，直到標準表和改裝表均和滿刻度線對齊為止，這時改裝表量程就符合要求，此時Rs的值才為實驗值，否則電流表的改裝就沒有達到要求！（3）校正改裝表：保持RS不變，調節(jié)R1、R2使改裝表示值Ux按從大到小的要求變化，結合標準表V的相應示值US進行修正。一、表頭內(nèi)阻的測定例題1.測定電流表內(nèi)電阻的實驗中備用的器材有：A.待測電流表（量程0～100μA)B.標準電壓表（量程0～5V)C.電阻箱（阻值范圍0～9999Ω)D.可變電阻（阻值范圍0～100kΩ)E.干電池（V，內(nèi)阻Ω)F.干電池組（6V，內(nèi)阻Ω)如果采用如圖所示的電路測定電流表G的內(nèi)電阻，并且要求測量有較高的精度，那么從以上備用器材中，電阻R應選用___________，電阻R′應選用_________________，電源應選用_________________．【解析】R須用阻值較大的可以調節(jié)的電阻,即選用D；R′必須用電阻箱，即選C；因為要從上面讀出數(shù)據(jù)，為了提高精確度，應選用電動勢較高的電源，即選F.【答案】DCF二、表頭的改裝和校正例題2.現(xiàn)有一塊59C2型的小量程電流表G（表頭），滿偏電流為50μA，內(nèi)阻約為800～850Ω，把它改裝成1mA-10mA的兩量程電流表.可供選擇的器材有：滑動變阻器R1，最大阻值20Ω；滑動變阻器R2，最大阻值100kΩ；電阻箱R′最大阻值9999Ω；定值電阻R0，阻值1kΩ;電池E1，電動勢V；電池E2，電動勢V；電池E3，電動勢V；（所有電池內(nèi)阻均不計）標準電流表A，滿偏電流mA;單刀單擲開關S1和S2，單刀雙擲開關S3，電阻絲及導線若干.（1）采用如圖（1）所示電路測量表頭的內(nèi)阻，為提高測量精確度，選用的滑動變阻器為______________；選用的電池為________________．（2）將G改裝成兩量程電流表．現(xiàn)有兩種備選電路，如圖（2）和圖（3），__________為合理電路，另一電路不合理的理由是___________________．

（3）將改裝后的電流表與標準電流表逐格進行核對（僅核對1mA量程），畫出所用電路圖，圖中待核對的電流表符號用eq\o\ac(○,A)來表示?！窘馕觥浚?）采用圖1測表頭內(nèi)阻，是利用半偏法來測量，滑動變阻器阻值應遠大于表頭內(nèi)阻，故應選R2，當表頭滿偏時，回路總電阻R總=，E==50×10-6×100×103V=5V,E3=V與5V較接近，故應選電池E3.（2）見答案（3）改裝電流表和標準電流表應串聯(lián)，才能逐一核對兩表讀數(shù)，要逐格進行核對，則電流表的電流應從0逐漸變化到最大，只有用分壓電路才能達到上述要求，為保護電流表的安全，應在兩電流表的電路上串聯(lián)一個定值電阻R0，因電流表滿偏電流為1mA,兩表的內(nèi)阻均大約100Ω，要在調節(jié)R1時盡量在一個較大范圍滑動，則電流表所在支路兩端電壓最大值接近電源電動勢E，故E=Im（R0+R′A+RA)=1×10-3×(1000+100+100)V=V，故應選電池E1.【答案】（1）R2（或最大阻值100kΩ）；E3（或電動勢V)，（2）圖（3）電路在通電狀態(tài)下，更換量程會造成兩分流電阻都未并聯(lián)在表頭兩端，以至流過表頭的電流超過其滿偏電流而損壞，（3）如右圖所示。改裝原理內(nèi)阻測定改裝過程校正過程串聯(lián)分壓、并聯(lián)分流半偏法、替換法1、有一電流表G，滿偏電流Ig=3mA.（1）把它改裝成量程為3V的電壓表，需測量出電流表的內(nèi)阻Rg.①在右邊方框中畫出使用電流半偏法測量Rg的電路圖.②簡要敘述主要操作步驟：________________________________________________________________________________________________________________________________________________③對改裝后的電壓表，下列說法正確的是___________.A.允許通過的最大電流增大了B.刻度盤刻度不均勻了C.原電流表G自身的電阻增大了D.使用時加在原電流表G兩端電壓的最大值不能增大（2）把改裝的電壓表跟標準電壓表進行核對，在右邊方框中畫出校正電路圖.（3）通過以上問題的研究，請你談談理想化電表和非理想化電表的區(qū)別.【解析】略?！敬鸢浮浚?）①如圖甲所示.②合上開關S1，調整R的阻值，使電流表指針偏轉到滿刻度；合上開關S2，調整R′的阻值，使電流表指針偏轉到滿刻度的一半;讀取R′的值即為電流表內(nèi)阻Rg.③D（2）如圖乙所示.（3）在大多數(shù)情況下，電壓表和電流表都被看作理想的，即電壓表內(nèi)阻無窮大，電流表內(nèi)阻為零，此時電表對電路是沒有影響的.但是在某些題目中的電表并不是理想的（特別是實驗性問題），這時的電表既是一個測量儀表，又是連接在電路中的一個電阻，電流表讀數(shù)給出了通過核表內(nèi)阻RA的電流強度，電壓表讀數(shù)給出了內(nèi)阻RV兩端的電壓.計算電路中的電阻時，應將非理想電表的內(nèi)阻也計算在內(nèi).2、為了測量一量程為3V的電壓表的內(nèi)阻RV（約幾千歐），某同學采用了如圖甲所示的電路，利用“半偏法”進行測量，電路中電阻箱R0的最大值為9999Ω，滑動變阻器R的最大阻值為50Ω.（1）按圖甲所示將圖乙所給的實物連成測量電路.（2）該同學測量電壓表的內(nèi)阻時，其實驗步驟為：A.將電阻箱R0的阻值調到零；B.閉合開關S；C.連接好電路，注意斷開開關S；D.E.調節(jié)電阻箱R0的阻值，使電壓表的示數(shù)為V;F.調節(jié)滑動變阻器R，使電壓表的示數(shù)為3V；G.記下此時電阻箱R0的阻值.上述實驗步驟合理的順序為_______________________.（3）若所記電阻箱R0的阻值為6kΩ，則用此法測得的電壓表內(nèi)阻是___________kΩ，其測量結果與其真實值相比___________________（填“偏大”、“偏小”或“相等”）.（4）若將此電壓表改裝成量程為15V的電壓表，需_____聯(lián)一個阻值為_____kΩ的電阻.【解析】本題實質上是半偏法測電阻的拓展，將R0調為零，調節(jié)P的位置，使電壓表滿偏；之后，必須保持P的位置不變而調節(jié)R0使電壓表半偏，則可認為RV=R0.另改裝成電壓表時，可從R串=（n-1)Rg入手進行計算,其中n為電壓量程的擴大倍數(shù).【答案】（1）見右圖（2）CDABFEG（3）6偏大（4）串24【點評】本實驗的一個關鍵點是，在調節(jié)R0時，應保持P的位置不再變化；以確保加在Pb之間的電壓不再變化，事實上，即使不改變P的位置，當調節(jié)R0時，伏特表與R0支路的總電阻已經(jīng)增大，總電流減小，加在Pb間的電壓增大，當伏特表半偏時，R0上的電壓實際上已大于伏特