高中物理教科版1第二章直流電路單元測(cè)試 高質(zhì)作品

學(xué)案13學(xué)生實(shí)驗(yàn)：將表頭改裝成電流表、電壓表[學(xué)習(xí)目標(biāo)定位]1、進(jìn)一步鞏固串并聯(lián)電路的特點(diǎn)；2、掌握一種測(cè)定電流表表頭內(nèi)阻的方法；3、學(xué)會(huì)將表頭改裝成電流表和電壓表；4、學(xué)會(huì)使用電阻箱。一、知識(shí)準(zhǔn)備1、有關(guān)表頭：靈敏電流計(jì)，由于其量程太小，一般只能測(cè)量μA級(jí)電流和mV級(jí)電壓，一般情況下不能直接測(cè)量電流，而是用于檢測(cè)有無(wú)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(chēng)表頭，若要用它來(lái)測(cè)量較大的電流和電壓，就必須通過(guò)改裝來(lái)擴(kuò)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(shí)際中應(yīng)用非常廣泛。2、表頭參數(shù)：（1）內(nèi)阻Rg；表頭內(nèi)線(xiàn)圈的電阻稱(chēng)為表頭的內(nèi)阻，一般也在100Ω左右。（2）滿(mǎn)偏電流Ig：是指針偏轉(zhuǎn)到最大刻度時(shí)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(mǎn)偏電壓Ug：指針偏轉(zhuǎn)到最大刻度時(shí)，電流表兩端的電壓叫做滿(mǎn)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(gè)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(gè)小電阻與表頭并聯(lián)，就可以改裝成一個(gè)大量程的電流表。2、根據(jù)串聯(lián)分壓的原理，將一個(gè)大電阻與表頭串聯(lián)，就可以改裝成一個(gè)大量程的電壓表。三、實(shí)驗(yàn)儀器表頭、標(biāo)準(zhǔn)電流表、標(biāo)準(zhǔn)電壓表、滑動(dòng)變阻器、電阻箱、電池、開(kāi)關(guān)（單刀單擲和雙擲）和導(dǎo)線(xiàn)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(guò)，而表頭仍保持原來(lái)允許流過(guò)的最大電流Ig。圖中虛線(xiàn)框內(nèi)由表頭和R并組成的整體就是改裝后的電流表。設(shè)表頭改裝后的量程為I，根據(jù)并聯(lián)電路的特點(diǎn)、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(dāng)表頭的參量Ig、Rg確定后，根據(jù)所要擴(kuò)大量程的倍數(shù)n，計(jì)算出需要并聯(lián)的分流電阻R并，實(shí)現(xiàn)靈敏電流計(jì)的擴(kuò)程，接著將表盤(pán)進(jìn)行相應(yīng)改動(dòng)，最后再對(duì)其進(jìn)行校正就完成了整個(gè)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(lái)測(cè)量電壓，但是電壓量程很小，不能滿(mǎn)足實(shí)際需要。為了能測(cè)量較高的電壓，就必須擴(kuò)大它的電壓量程。擴(kuò)大電壓量程的方法是在表頭上串聯(lián)一個(gè)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(guò)原來(lái)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(diǎn)、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(dāng)表頭的參量Ig、Rg確定后，根據(jù)所要擴(kuò)大量程的倍數(shù)n，計(jì)算出需要并聯(lián)的分流電阻R串，實(shí)現(xiàn)靈敏電流計(jì)的擴(kuò)程，接著將表盤(pán)進(jìn)行相應(yīng)改動(dòng)，最后再對(duì)其進(jìn)行校正就完成了整個(gè)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟（一）、測(cè)量表頭內(nèi)阻：1、電流半偏法（1）實(shí)驗(yàn)原理如右圖所示，其中R為滑動(dòng)變阻器（或電位器），R′為電阻箱，G為待測(cè)表頭。（2）實(shí)驗(yàn)操作順序①按原理圖連結(jié)好電路，斷開(kāi)S1、S1，將R阻值調(diào)到最大；②合上S1，調(diào)節(jié)R，使電表G達(dá)到滿(mǎn)偏；③保持R阻值不變，再合上S2，調(diào)節(jié)R′，使G達(dá)到半偏；④斷開(kāi)S1，記下R′的阻值；⑤在R>>R′時(shí)，Rg=R′。（3）誤差分析本實(shí)驗(yàn)是在R>>R′的情況下，并入R′后，對(duì)總電阻影響很小，即認(rèn)為干路電流仍等于Ig時(shí)，近似認(rèn)為Rg=R′。但實(shí)際上并入R′后，總電阻減小，干路電流I>Ig，通過(guò)R′的電流IR'>Ig/2，因此，Rg>R′。所以測(cè)量值比真實(shí)值偏小，而且Rg越小，測(cè)量誤差越小。2、電壓半偏法（1）實(shí)驗(yàn)原理如右圖所示，其中R為滑動(dòng)變阻器，R′為電阻箱，V為待測(cè)電表。（2）實(shí)驗(yàn)操作順序①按原理圖連結(jié)電路，斷開(kāi)S，并將滑片置于最左端，調(diào)節(jié)R′=0；②合上S，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R，使電表達(dá)到滿(mǎn)偏；③保持滑片位置不動(dòng)，調(diào)節(jié)電阻箱R′的阻值，使電表半偏；④斷開(kāi)S，記下R′的讀數(shù)；⑤在R<<R′時(shí)，Rv=R′。（3）誤差分析本實(shí)驗(yàn)是在R<<R′的情況下，串入R′后，對(duì)回路總電阻影響很小，可以忽略不計(jì)，即分壓部分的電壓保持不變，所以當(dāng)電表半偏時(shí)，認(rèn)為：Rv=R′。實(shí)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(cè)量值大于真實(shí)值，而且Rv越大，測(cè)量誤差越小。綜上所述，用半偏法測(cè)電表內(nèi)阻時(shí)，一般需要一個(gè)滑動(dòng)變阻器和電阻箱，而且滑動(dòng)變阻器的電阻與待測(cè)電阻懸殊較大。當(dāng)待測(cè)電阻阻值遠(yuǎn)大于滑動(dòng)變阻器的總電阻時(shí)，用電壓半偏法，測(cè)量值偏大；當(dāng)待測(cè)電阻遠(yuǎn)小于滑動(dòng)變阻器的總電阻時(shí)，用電流半偏法，測(cè)量值偏小。簡(jiǎn)記為“大大小小”（即測(cè)大電阻，用分壓半偏，測(cè)量值偏大；測(cè)小電阻，用限流半偏，測(cè)量值偏?。?。3、替代法測(cè)表頭內(nèi)阻電路圖（1）實(shí)驗(yàn)原理如右圖所示，其中R1為電阻箱或阻值較大的滑動(dòng)變阻器，R2為電阻箱，G1為標(biāo)準(zhǔn)小量程電流表，G為待測(cè)表頭，K2為單刀雙擲開(kāi)關(guān)。（2）實(shí)驗(yàn)操作順序①按原理圖連結(jié)電路，斷開(kāi)K1和K2，并將R1連入電路的阻值調(diào)至最大；②先合上K1，再將K2扳向“a”端，調(diào)節(jié)R1使標(biāo)準(zhǔn)表示值對(duì)準(zhǔn)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(shí)只調(diào)節(jié)R2，使標(biāo)準(zhǔn)電流表示值仍為I0；④斷開(kāi)K1，讀取R2的讀數(shù)計(jì)入事先設(shè)計(jì)好的表格；⑤改變I0，再做兩次②③④；⑥計(jì)算三次的R2平均值作為Rg的測(cè)量值。（3）誤差分析本實(shí)驗(yàn)用替代法測(cè)量表頭內(nèi)阻，回避了系統(tǒng)誤差，但是仍有偶然誤差。（4）說(shuō)明：標(biāo)準(zhǔn)表的電流在調(diào)節(jié)R2時(shí)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(cè)出的表頭內(nèi)阻，求出分流電阻R并。按右圖連接好線(xiàn)路。然后將電阻箱R并調(diào)到該值后，圖中的虛線(xiàn)框即為改裝的大量程的電流表。（2）校準(zhǔn)電流表量程：先調(diào)好表頭零點(diǎn)（機(jī)械零點(diǎn)），然后按右圖連接好電路。然后調(diào)節(jié)R1和R2使標(biāo)準(zhǔn)表示值為改裝表量程。這時(shí)改裝表示值應(yīng)該正好是滿(mǎn)刻度值，若有偏離，可反復(fù)調(diào)節(jié)R1、R2和Rs，直到標(biāo)準(zhǔn)表和改裝表均和滿(mǎn)刻度線(xiàn)對(duì)齊為止，這時(shí)改裝表量程就符合要求，此時(shí)Rs的值才為實(shí)驗(yàn)值，否則電流表的改裝就沒(méi)有達(dá)到要求?。?）校正改裝表：保持RS不變，調(diào)節(jié)R1、R2使改裝表示值Ix按從大到小的要求變化，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)表A的相應(yīng)示值IS進(jìn)行修正。（三）將表頭改裝成大量程的電壓表（1）根據(jù)測(cè)出的表頭內(nèi)阻，求出分壓電阻R串。按右圖連接好線(xiàn)路。然后將電阻箱R串調(diào)到該值后，圖中的虛線(xiàn)框即為改裝的大量程的電壓表。（2）校準(zhǔn)電流表量程：先調(diào)好表頭零點(diǎn)（機(jī)械零點(diǎn)），然后按右圖連接好電路。然后調(diào)節(jié)R1和R2使標(biāo)準(zhǔn)表示值為改裝表量程。這時(shí)改裝表示值應(yīng)該正好是滿(mǎn)刻度值，若有偏離，可反復(fù)調(diào)節(jié)R1、R2和Rs，直到標(biāo)準(zhǔn)表和改裝表均和滿(mǎn)刻度線(xiàn)對(duì)齊為止，這時(shí)改裝表量程就符合要求，此時(shí)Rs的值才為實(shí)驗(yàn)值，否則電流表的改裝就沒(méi)有達(dá)到要求?。?）校正改裝表：保持RS不變，調(diào)節(jié)R1、R2使改裝表示值Ux按從大到小的要求變化，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)表V的相應(yīng)示值US進(jìn)行修正。一、表頭內(nèi)阻的測(cè)定例題1.測(cè)定電流表內(nèi)電阻的實(shí)驗(yàn)中備用的器材有：A.待測(cè)電流表（量程0～100μA)B.標(biāo)準(zhǔn)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(cè)定電流表G的內(nèi)電阻，并且要求測(cè)量有較高的精度，那么從以上備用器材中，電阻R應(yīng)選用___________，電阻R′應(yīng)選用_________________，電源應(yīng)選用_________________．【解析】R須用阻值較大的可以調(diào)節(jié)的電阻,即選用D；R′必須用電阻箱，即選C；因?yàn)橐獜纳厦孀x出數(shù)據(jù)，為了提高精確度，應(yīng)選用電動(dòng)勢(shì)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(mǎn)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(dòng)變阻器R1，最大阻值20Ω；滑動(dòng)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(dòng)勢(shì)V；電池E2，電動(dòng)勢(shì)V；電池E3，電動(dòng)勢(shì)V；（所有電池內(nèi)阻均不計(jì)）標(biāo)準(zhǔn)電流表A，滿(mǎn)偏電流mA;單刀單擲開(kāi)關(guān)S1和S2，單刀雙擲開(kāi)關(guān)S3，電阻絲及導(dǎo)線(xiàn)若干.（1）采用如圖（1）所示電路測(cè)量表頭的內(nèi)阻，為提高測(cè)量精確度，選用的滑動(dòng)變阻器為_(kāi)_____________；選用的電池為_(kāi)_______________．（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(biāo)準(zhǔn)電流表逐格進(jìn)行核對(duì)（僅核對(duì)1mA量程），畫(huà)出所用電路圖，圖中待核對(duì)的電流表符號(hào)用eq\o\ac(○,A)來(lái)表示?！窘馕觥浚?）采用圖1測(cè)表頭內(nèi)阻，是利用半偏法來(lái)測(cè)量，滑動(dòng)變阻器阻值應(yīng)遠(yuǎn)大于表頭內(nèi)阻，故應(yīng)選R2，當(dāng)表頭滿(mǎn)偏時(shí)，回路總電阻R總=，E==50×10-6×100×103V=5V,E3=V與5V較接近，故應(yīng)選電池E3.（2）見(jiàn)答案（3）改裝電流表和標(biāo)準(zhǔn)電流表應(yīng)串聯(lián)，才能逐一核對(duì)兩表讀數(shù)，要逐格進(jìn)行核對(duì)，則電流表的電流應(yīng)從0逐漸變化到最大，只有用分壓電路才能達(dá)到上述要求，為保護(hù)電流表的安全，應(yīng)在兩電流表的電路上串聯(lián)一個(gè)定值電阻R0，因電流表滿(mǎn)偏電流為1mA,兩表的內(nèi)阻均大約100Ω，要在調(diào)節(jié)R1時(shí)盡量在一個(gè)較大范圍滑動(dòng)，則電流表所在支路兩端電壓最大值接近電源電動(dòng)勢(shì)E，故E=Im（R0+R′A+RA)=1×10-3×(1000+100+100)V=V，故應(yīng)選電池E1.【答案】（1）R2（或最大阻值100kΩ）；E3（或電動(dòng)勢(shì)V)，（2）圖（3）電路在通電狀態(tài)下，更換量程會(huì)造成兩分流電阻都未并聯(lián)在表頭兩端，以至流過(guò)表頭的電流超過(guò)其滿(mǎn)偏電流而損壞，（3）如右圖所示。改裝原理內(nèi)阻測(cè)定改裝過(guò)程校正過(guò)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(mǎn)偏電流Ig=3mA.（1）把它改裝成量程為3V的電壓表，需測(cè)量出電流表的內(nèi)阻Rg.①在右邊方框中畫(huà)出使用電流半偏法測(cè)量Rg的電路圖.②簡(jiǎn)要敘述主要操作步驟：________________________________________________________________________________________________________________________________________________③對(duì)改裝后的電壓表，下列說(shuō)法正確的是___________.A.允許通過(guò)的最大電流增大了B.刻度盤(pán)刻度不均勻了C.原電流表G自身的電阻增大了D.使用時(shí)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(biāo)準(zhǔn)電壓表進(jìn)行核對(duì)，在右邊方框中畫(huà)出校正電路圖.（3）通過(guò)以上問(wèn)題的研究，請(qǐng)你談?wù)劺硐牖姳砗头抢硐牖姳淼膮^(qū)別.【解析】略?！敬鸢浮浚?）①如圖甲所示.②合上開(kāi)關(guān)S1，調(diào)整R的阻值，使電流表指針偏轉(zhuǎn)到滿(mǎn)刻度；合上開(kāi)關(guān)S2，調(diào)整R′的阻值，使電流表指針偏轉(zhuǎn)到滿(mǎn)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(wú)窮大，電流表內(nèi)阻為零，此時(shí)電表對(duì)電路是沒(méi)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(shí)驗(yàn)性問(wèn)題），這時(shí)的電表既是一個(gè)測(cè)量?jī)x表，又是連接在電路中的一個(gè)電阻，電流表讀數(shù)給出了通過(guò)核表內(nèi)阻RA的電流強(qiáng)度，電壓表讀數(shù)給出了內(nèi)阻RV兩端的電壓.計(jì)算電路中的電阻時(shí)，應(yīng)將非理想電表的內(nèi)阻也計(jì)算在內(nèi).2、為了測(cè)量一量程為3V的電壓表的內(nèi)阻RV（約幾千歐），某同學(xué)采用了如圖甲所示的電路，利用“半偏法”進(jìn)行測(cè)量，電路中電阻箱R0的最大值為9999Ω，滑動(dòng)變阻器R的最大阻值為50Ω.（1）按圖甲所示將圖乙所給的實(shí)物連成測(cè)量電路.（2）該同學(xué)測(cè)量電壓表的內(nèi)阻時(shí)，其實(shí)驗(yàn)步驟為：A.將電阻箱R0的阻值調(diào)到零；B.閉合開(kāi)關(guān)S；C.連接好電路，注意斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S；D.E.調(diào)節(jié)電阻箱R0的阻值，使電壓表的示數(shù)為V;F.調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R，使電壓表的示數(shù)為3V；G.記下此時(shí)電阻箱R0的阻值.上述實(shí)驗(yàn)步驟合理的順序?yàn)開(kāi)______________________.（3）若所記電阻箱R0的阻值為6kΩ，則用此法測(cè)得的電壓表內(nèi)阻是___________kΩ，其測(cè)量結(jié)果與其真實(shí)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(gè)阻值為_(kāi)____kΩ的電阻.【解析】本題實(shí)質(zhì)上是半偏法測(cè)電阻的拓展，將R0調(diào)為零，調(diào)節(jié)P的位置，使電壓表滿(mǎn)偏；之后，必須保持P的位置不變而調(diào)節(jié)R0使電壓表半偏，則可認(rèn)為RV=R0.另改裝成電壓表時(shí)，可從R串=（n-1)Rg入手進(jìn)行計(jì)算,其中n為電壓量程的擴(kuò)大倍數(shù).【答案】（1）見(jiàn)右圖（2）CDABFEG（3）6偏大（4）串24【點(diǎn)評(píng)】本實(shí)驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是，在調(diào)節(jié)R0時(shí)，應(yīng)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(shí)上，即使不改變P的位置，當(dāng)調(diào)節(jié)R0時(shí)，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(dāng)伏特表半偏時(shí)，R0上的電壓實(shí)際上已大于伏特