磁電式電表內(nèi)阻測定研究教學設(shè)計

1、磁電式電表內(nèi)阻測定研究教學設(shè)計中學生電學實驗所用的電壓表、電流表和歐姆表都是磁電 式儀表，磁電式電表在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)代科技有廣泛的應(yīng)用，而磁電式電表內(nèi)阻的測定，在近年高考中也是出現(xiàn)頻率最高的知識點之一 ，筆者 對中學生用的磁電式電表進行了比較詳細的研究，現(xiàn)將有關(guān)研究作一介紹，供同行們參考。1 .磁電式電表的原理常用的電壓表和電流表都是由小量程的電流表G改裝而成的，常用表頭主要由永久磁鐵和放入永久磁場中的可轉(zhuǎn)動的線圈組成，當線圈中有電流通過時，線圈在磁場力的作用下帶著指針一起偏轉(zhuǎn)，電流越 大，指針偏轉(zhuǎn)的角度也越大，由指針在標有電流值的刻度上所指的位置 就可以讀出電流表的電流值。由歐姆定律知道 ，

2、通過表頭的電流跟加 在表頭兩端的電壓成正比，如果在刻度盤上標出電壓值，由指針的位置 就可以讀出加在表頭兩端的電壓值。為了能使電流表G在較小電流下就能有比較明顯的偏轉(zhuǎn)，就要求 線圈的匝數(shù)要多，而質(zhì)量要小，表頭的線圈只能用線徑較小的銅線繞制 所以電流表G的滿偏電壓和電流一般都比較小，電流表G一般不能測 定實際的電壓和電流。電流表G串聯(lián)一只大阻值的電阻改裝成電壓表。如果表頭滿偏 電流是Ig=100wA,3阻Rg=1000，要求改裝成量程是3V的電壓表。分析:由于表頭滿偏電壓 Ug=IgRg=0.1V,要求串聯(lián)一個電阻R進行分 壓3-0.1=2.9V,由歐姆定律可以求出分壓電阻：，原理如圖1所示。電流

3、表G并聯(lián)一只小阻值的電阻改裝成電流表。仍取上述表頭 ， 要求改裝成量程是3A的電流表，分析:要求并聯(lián)一個電阻R來進行分 流3-0.0001=2.9999A,由歐姆定律可以求出分流電阻：，原理如圖2所 示。通過上述分析可知，電壓表可等效成一個能顯示自身電壓的一個 大阻值的定值電阻，電流表可等效成一個能顯示自身電流的一個小阻 值的定值電阻。2 .關(guān)于中學生使用的磁電式電表的一些數(shù)據(jù)為了能在實驗中有效地選擇儀器，現(xiàn)提供下列實用數(shù)據(jù)供參考。學生用2.5級電壓表量程電表內(nèi)阻滿偏電流3V 3KQ 1 mA15V 15 K Q 1 mA學生用2.5級電流表類別電流計G毫安表mA電流表A量程 200 區(qū) A1

4、mA 10 mA 100mA 0.6A 3A內(nèi)阻約 1000Q約 100Q約 10Q約 1Q約 0.6 Q0.12 Q多用電表中的歐姆表類另 fj MF411 J0410檔位 滿偏電流中值電阻 滿偏電流中值電阻RX 1 Q40 mA 40 Q 80 mA 20 QRX 10Q4 mA 400 Q 8 mA 200 QRX 100Q0.4 mA 4KQ 0.8 mA 2KQRX 1KQ 0.04 mA 40KQ 0.08 mA 20 K QRX 10KQ 1 mA 200 K Q說明:R X 10KQfI，內(nèi)回路的電源為高壓電池，與其它檔不是同一組 電源。3 .電壓表內(nèi)阻測定的設(shè)計對2.5級學生

5、用電壓表，由上表1數(shù)據(jù)可知：3V量程的電壓表內(nèi)阻 約為3KQ,15V量程的電壓表內(nèi)阻約為15KQ,滿偏電流都約1mA。根 據(jù)上述數(shù)據(jù)特點分析，電壓表的內(nèi)阻較大，允許通過的電流較小，可以 從以下四個方面進行設(shè)計：歐姆表粗測法 可行性分析：由表3相關(guān)數(shù)據(jù)分析不難得出，測3V 量程電壓表內(nèi)阻，可用RX 100Q測15V量程電壓表內(nèi)阻，可用RX 1KQ, 這樣測量時指針正好在中值電阻附近，有比較好的精度。伏安法 可行性分析：因電壓表內(nèi)阻較大，并能顯示自身電壓，只要 設(shè)法測出流過電壓表的電流即可，用電源、電壓表、電流表、電阻箱 和電鍵串聯(lián)如圖3電路即可，測量結(jié)果:RV=,多測幾次求平均值。由表 1數(shù)據(jù)分

6、析，電源取4-6V,電阻箱值大于3KQ,電流表選1 mA。串聯(lián)電阻分壓法 可行性分析：新干電池內(nèi)阻很小，與RV相比可 以忽略,U端=E。將電源、電壓表、電阻箱和電鍵串聯(lián)成如圖 4即可。 測量時先將電阻箱調(diào)節(jié)至零，讀出U1=E,然后將變阻調(diào)到某一整數(shù)，讀 出此時電壓表值U2,。等效代替法如果電壓表表盤刻度糊涂不清，此種電壓表頭就少 了一個能顯示自身電壓的功能，此時的電壓表只能被看成一個大阻值 的未知電阻了，通常可以用等效代替法進行。原理如圖 5所示:把電鍵 先撥至1處，調(diào)節(jié)電阻箱R2使mA表為某一整數(shù)I,盡可能接近滿偏, 使電阻箱R1阻值處在較大位置上，將電鍵撥至2處，減小電阻箱R1的 阻值，讓

7、mA表的讀數(shù)等于剛才的那個整數(shù)I,記下此時電阻箱R1的讀 數(shù)R,即RV=R,此方法理論上誤差為零。4 .電流表內(nèi)阻測定的困難電流表按量程的大小可分為：微安表以卜毫安表mA、安培表A。 由表2數(shù)據(jù)可知：電流表量程越大，分流電阻越小，也即電流表內(nèi)阻越 小。一般地,微安表wA的內(nèi)阻在幾百歐至1K歐左右，毫安表mA的內(nèi) 阻在100歐以下,（示教電流表：1mA的內(nèi)阻約100歐左右,10mA的內(nèi)阻約10歐左右，100mA的內(nèi)阻約1歐左右），安培表的內(nèi)阻很小，只 有零點幾歐。伏安法測電流表內(nèi)阻的困難：由電表改裝原理可知，不論是何種量 程的電流表，表頭兩端電壓Ug很小，例如示教電流表：量程是100mA的 電流

8、表內(nèi)阻1Q,滿偏電壓Ug=0.1V,這么小的電壓很難準確地用量程是 3V的電壓表測量，又如:量程是1 mA的電流表內(nèi)阻100 Q滿偏電壓仍為Ug=0.1V,仍然不能有效測量。當然用毫伏表可以進行，而中學生一 般不用毫伏表。歐姆表測量的困難：對于微安表 W A因為常用歐姆表正常測量電 流在mA的數(shù)量級上，所以不能正常進行測量，如果測量,微安表wA指 針會超過滿偏許多，容易燒壞表頭。對于 mA級的電流表，表頭滿偏電 流與歐姆表的相應(yīng)檔位的工作電流在同數(shù)量級上 ，能粗略地進行測量， 但要注意，黑表筆接電流表的正極，否則電流表反轉(zhuǎn)燒壞表頭；對于學 生用電流表，電流表的滿偏電流遠大于歐姆表的工作電流 ，

9、絕對不會燒 壞表頭，但由于內(nèi)阻太小，不管用那一歐姆檔位，讀數(shù)幾乎全部接近零。綜合上述分析：電壓表內(nèi)阻測定可以有多種方法，電流表內(nèi)阻測定 有一定困難，要采用特殊方法進行。如：已知一個電流表內(nèi)阻，求測另一 只電流表的內(nèi)阻，可以利用并聯(lián)電路兩端電壓相等的原理進行分析 ，設(shè) 計可行電路進行測量，所以實際測定中，要根據(jù)具體給定的條件，進行 合理的設(shè)計。5 .實例分析為了能對磁電式電表內(nèi)阻測定有一個全面的了解，提高解決實際問題的能力，現(xiàn)用二道高考題加以分析說明。例1:卷第13題）要測量一塊多用電表直流10檔的內(nèi)阻，除此多用電表外，還有下 列器材:直流電源一個，電阻一個，電鍵一個，導線若干。要求：寫出實驗

10、步驟;給出的表達式。分析：由題意可知，本題主要考查學生對多用電表的使用 ，以及綜 合各表的功能靈活解決實際問題的能力，對實驗精度沒有嚴格要求，要 求能靈活使用多用電表測電阻、 電壓和電流。思路分析：要測R2 設(shè) 法測出RA兩端的電壓一電源電壓E和回路電流測定一能得到全電路 的電阻一設(shè)法測出其中一部分電阻FH做一個減法間接得到RA。實 驗步驟:先用電壓檔測電動勢E,再換檔至歐姆檔測R,再將電源、電流 表及電阻串聯(lián)，讀出mA表讀數(shù)I,由全電路歐姆定律RmA+R=,解之:RmA= - Ro例2:從下表中選出適當?shù)膶嶒炂鞑模O(shè)計一電路來測量電流表 A1的 內(nèi)阻1要求方法簡捷，有盡可能高的測量精度，并能

11、測得多組數(shù)據(jù)。器材規(guī)格電流表 量程10mA,內(nèi)阻ri特測電流表 量程500區(qū)順阻r2=750 Q電壓表 量程10V,內(nèi)阻r3=10KQ sp;電阻阻值約100 Q作保護電阻用滑動變阻器 總阻值約50 Q電池電動勢1.5V,內(nèi)阻很小電鍵導線若干畫出電路圖標明所用器材的代號。若選測量數(shù)據(jù)中的一組來計算r1,則所用的表達式為r1=, 式 中 各 符 號 的 意 義是：分析:因為A表自身電流能讀出，只要設(shè)法能測出A表兩端電壓即 可,有許多同學會不假思索地錯誤在把伏特表并聯(lián)到A表兩端，這是因為伏特表的量程10V,遠大于被測電表 A允許的最大電壓10M0-3 M0=0.4V,因此電壓表不能有大角度的偏轉(zhuǎn)，

12、很難能讀出正確值，這與 題中要求”盡可能高的測量精度”不符合，所以只能考慮用A2來代替電 壓表了。分析A2代替V表的可行性：由電流表A2的內(nèi)阻r2可知，將 其看成讀數(shù)為12r2的電壓表，其中I2為通過電流表A2的電流，其滿量 程時電壓為500X10 -6 750=0.375V,這與能加在電流表 A1兩端的最大 電壓約0.4V接近，故電流表A2能夠大角度偏轉(zhuǎn)。因此可將電流 A2 作電壓表使用并聯(lián)在 A1兩端。又因為變阻器的總電阻 50與待測電 阻的阻值40相差不大，故R2即可采用分壓器接法，如圖a所示,也可限 流接法，如圖b所示。而這兩個電路相比較，圖a中改變滑動變阻器阻 值,電流表讀數(shù)的取值范

13、圍比圖b更大。由r1I1=r2I2,得：，其中II、I2 可由電流表直接讀出，r2為已知值若選測量數(shù)據(jù)中的一組來計算1則所用的表達式為r1=,式中各符號的意義是：分析:因為A表自身電流能讀出，只要設(shè)法能測出A表兩端電壓即 可,有許多同學會不假思索地錯誤在把伏特表并聯(lián)到A表兩端，這是因為伏特表的量程 10V,遠大于被測電表 A允許的最大電壓10X10-3 M0=0.4V,因此電壓表不能有大角度的偏轉(zhuǎn)很難能讀出正確值，這與 題中要求”盡可能高的測量精度”不符合，所以只能考慮用A2來代替電 壓表了。分析A2代替V表的可行性：由電流表A2的內(nèi)阻r2可知，將 其看成讀數(shù)為I2r2的電壓表，其中I2為通過電流表A2的電流，其滿量 程時電壓為500X10-6 Z50=0