高中物理教科版1第二章直流电路单元测试 高质作品

学案13学生实验：将表头改装成电流表、电压表[学习目标定位]1、进一步巩固串并联电路的特点；2、掌握一种测定电流表表头内阻的方法；3、学会将表头改装成电流表和电压表；4、学会使用电阻箱。一、知识准备1、有关表头：灵敏电流计，由于其量程太小，一般只能测量μA级电流和mV级电压，一般情况下不能直接测量电流，而是用于检测有无电流和电流的方向，常作为改装量程较大的电流表和电压表的表头使用，所以俗称表头，若要用它来测量较大的电流和电压，就必须通过改装来扩大其量程。磁电式系列多量程表都是用这种方法制成的，电表改装的原理在实际中应用非常广泛。2、表头参数：（1）内阻Rg；表头内线圈的电阻称为表头的内阻，一般也在100Ω左右。（2）满偏电流Ig：是指针偏转到最大刻度时的电流，也是表头的量程，一般从几十微安到几毫安，Ig越小，表头的灵敏度就越高。（3）满偏电压Ug：指针偏转到最大刻度时，电流表两端的电压叫做满偏电压，是指表头允许加上的最大电压，由欧姆定律可得Ug=IgRg，也是一个比较小的电压。二、改装方法1、根据并联分流的原理，将一个小电阻与表头并联，就可以改装成一个大量程的电流表。2、根据串联分压的原理，将一个大电阻与表头串联，就可以改装成一个大量程的电压表。三、实验仪器表头、标准电流表、标准电压表、滑动变阻器、电阻箱、电池、开关（单刀单掷和双掷）和导线等。一、将表头改装成大量程电流表1、原理图如右图所示2、原理在原理图中，超量程部分的电流从分流电阻R并上流过，而表头仍保持原来允许流过的最大电流Ig。图中虚线框内由表头和R并组成的整体就是改装后的电流表。设表头改装后的量程为I，根据并联电路的特点、欧姆定律得IgRg＝(I－Ig)R并：解得R并＝eq\f(Ig,I－Ig)Rg，则若I=nIg，则R并=，并且改装成功后电流表的总内阻RA＝eq\f(RRg,R＋Rg)。3、方法当表头的参量Ig、Rg确定后，根据所要扩大量程的倍数n，计算出需要并联的分流电阻R并，实现灵敏电流计的扩程，接着将表盘进行相应改动，最后再对其进行校正就完成了整个表头的改装，同一表头，并联不同的分流电阻R并就可得到不同量程的电流表。二、将表头改装成大量程电压表1、原理图如右图所示2、原理表头的电压量程Ug=IgRg，虽然可以直接用来测量电压，但是电压量程很小，不能满足实际需要。为了能测量较高的电压，就必须扩大它的电压量程。扩大电压量程的方法是在表头上串联一个分压电阻R串。使超出量程部分的电压加在分压电阻上，表头上的电压仍不超过原来的电压量程。在原理图中，欲改成的电压表的量程为U，根据并联电路的特点、欧姆定律得，U＝Ig(R串＋Rg)，解得R串＝eq\f(U,Ig)－Rg，则若U=nUg，则R串＝（n－1）Rg，并且改装成功后电压表的总内阻RV＝Rg＋R。3、方法当表头的参量Ig、Rg确定后，根据所要扩大量程的倍数n，计算出需要并联的分流电阻R串，实现灵敏电流计的扩程，接着将表盘进行相应改动，最后再对其进行校正就完成了整个表头的改装。同一表头，串联不同的分压电阻R串就可得到不同量程的电压表。三、实验内容及步骤（一）、测量表头内阻：1、电流半偏法（1）实验原理如右图所示，其中R为滑动变阻器（或电位器），R′为电阻箱，G为待测表头。（2）实验操作顺序①按原理图连结好电路，断开S1、S1，将R阻值调到最大；②合上S1，调节R，使电表G达到满偏；③保持R阻值不变，再合上S2，调节R′，使G达到半偏；④断开S1，记下R′的阻值；⑤在R>>R′时，Rg=R′。（3）误差分析本实验是在R>>R′的情况下，并入R′后，对总电阻影响很小，即认为干路电流仍等于Ig时，近似认为Rg=R′。但实际上并入R′后，总电阻减小，干路电流I>Ig，通过R′的电流IR'>Ig/2，因此，Rg>R′。所以测量值比真实值偏小，而且Rg越小，测量误差越小。2、电压半偏法（1）实验原理如右图所示，其中R为滑动变阻器，R′为电阻箱，V为待测电表。（2）实验操作顺序①按原理图连结电路，断开S，并将滑片置于最左端，调节R′=0；②合上S，调节滑动变阻器R，使电表达到满偏；③保持滑片位置不动，调节电阻箱R′的阻值，使电表半偏；④断开S，记下R′的读数；⑤在R<<R′时，Rv=R′。（3）误差分析本实验是在R<<R′的情况下，串入R′后，对回路总电阻影响很小，可以忽略不计，即分压部分的电压保持不变，所以当电表半偏时，认为：Rv=R′。实际上串入了R′之后，并联部分的电阻增大，分得的电压增加了，R′两端的电压UR′>Ug/2，因此，R′>Rv。所以测量值大于真实值，而且Rv越大，测量误差越小。综上所述，用半偏法测电表内阻时，一般需要一个滑动变阻器和电阻箱，而且滑动变阻器的电阻与待测电阻悬殊较大。当待测电阻阻值远大于滑动变阻器的总电阻时，用电压半偏法，测量值偏大；当待测电阻远小于滑动变阻器的总电阻时，用电流半偏法，测量值偏小。简记为“大大小小”（即测大电阻，用分压半偏，测量值偏大；测小电阻，用限流半偏，测量值偏小）。3、替代法测表头内阻电路图（1）实验原理如右图所示，其中R1为电阻箱或阻值较大的滑动变阻器，R2为电阻箱，G1为标准小量程电流表，G为待测表头，K2为单刀双掷开关。（2）实验操作顺序①按原理图连结电路，断开K1和K2，并将R1连入电路的阻值调至最大；②先合上K1，再将K2扳向“a”端，调节R1使标准表示值对准某一整数值I0（如80μA）；③保持R1不变，将K2扳向“b”端（以R2代替Rg）。这时只调节R2，使标准电流表示值仍为I0；④断开K1，读取R2的读数计入事先设计好的表格；⑤改变I0，再做两次②③④；⑥计算三次的R2平均值作为Rg的测量值。（3）误差分析本实验用替代法测量表头内阻，回避了系统误差，但是仍有偶然误差。（4）说明：标准表的电流在调节R2时一定不能变化。（二）将表头改装成大量程的电流表（1）根据测出的表头内阻，求出分流电阻R并。按右图连接好线路。然后将电阻箱R并调到该值后，图中的虚线框即为改装的大量程的电流表。（2）校准电流表量程：先调好表头零点（机械零点），然后按右图连接好电路。然后调节R1和R2使标准表示值为改装表量程。这时改装表示值应该正好是满刻度值，若有偏离，可反复调节R1、R2和Rs，直到标准表和改装表均和满刻度线对齐为止，这时改装表量程就符合要求，此时Rs的值才为实验值，否则电流表的改装就没有达到要求！（3）校正改装表：保持RS不变，调节R1、R2使改装表示值Ix按从大到小的要求变化，结合标准表A的相应示值IS进行修正。（三）将表头改装成大量程的电压表（1）根据测出的表头内阻，求出分压电阻R串。按右图连接好线路。然后将电阻箱R串调到该值后，图中的虚线框即为改装的大量程的电压表。（2）校准电流表量程：先调好表头零点（机械零点），然后按右图连接好电路。然后调节R1和R2使标准表示值为改装表量程。这时改装表示值应该正好是满刻度值，若有偏离，可反复调节R1、R2和Rs，直到标准表和改装表均和满刻度线对齐为止，这时改装表量程就符合要求，此时Rs的值才为实验值，否则电流表的改装就没有达到要求！（3）校正改装表：保持RS不变，调节R1、R2使改装表示值Ux按从大到小的要求变化，结合标准表V的相应示值US进行修正。一、表头内阻的测定例题1.测定电流表内电阻的实验中备用的器材有：A.待测电流表（量程0～100μA)B.标准电压表（量程0～5V)C.电阻箱（阻值范围0～9999Ω)D.可变电阻（阻值范围0～100kΩ)E.干电池（V，内阻Ω)F.干电池组（6V，内阻Ω)如果采用如图所示的电路测定电流表G的内电阻，并且要求测量有较高的精度，那么从以上备用器材中，电阻R应选用___________，电阻R′应选用_________________，电源应选用_________________．【解析】R须用阻值较大的可以调节的电阻,即选用D；R′必须用电阻箱，即选C；因为要从上面读出数据，为了提高精确度，应选用电动势较高的电源，即选F.【答案】DCF二、表头的改装和校正例题2.现有一块59C2型的小量程电流表G（表头），满偏电流为50μA，内阻约为800～850Ω，把它改装成1mA-10mA的两量程电流表.可供选择的器材有：滑动变阻器R1，最大阻值20Ω；滑动变阻器R2，最大阻值100kΩ；电阻箱R′最大阻值9999Ω；定值电阻R0，阻值1kΩ;电池E1，电动势V；电池E2，电动势V；电池E3，电动势V；（所有电池内阻均不计）标准电流表A，满偏电流mA;单刀单掷开关S1和S2，单刀双掷开关S3，电阻丝及导线若干.（1）采用如图（1）所示电路测量表头的内阻，为提高测量精确度，选用的滑动变阻器为______________；选用的电池为________________．（2）将G改装成两量程电流表．现有两种备选电路，如图（2）和图（3），__________为合理电路，另一电路不合理的理由是___________________．

（3）将改装后的电流表与标准电流表逐格进行核对（仅核对1mA量程），画出所用电路图，图中待核对的电流表符号用eq\o\ac(○,A)来表示。【解析】（1）采用图1测表头内阻，是利用半偏法来测量，滑动变阻器阻值应远大于表头内阻，故应选R2，当表头满偏时，回路总电阻R总=，E==50×10-6×100×103V=5V,E3=V与5V较接近，故应选电池E3.（2）见答案（3）改装电流表和标准电流表应串联，才能逐一核对两表读数，要逐格进行核对，则电流表的电流应从0逐渐变化到最大，只有用分压电路才能达到上述要求，为保护电流表的安全，应在两电流表的电路上串联一个定值电阻R0，因电流表满偏电流为1mA,两表的内阻均大约100Ω，要在调节R1时尽量在一个较大范围滑动，则电流表所在支路两端电压最大值接近电源电动势E，故E=Im（R0+R′A+RA)=1×10-3×(1000+100+100)V=V，故应选电池E1.【答案】（1）R2（或最大阻值100kΩ）；E3（或电动势V)，（2）图（3）电路在通电状态下，更换量程会造成两分流电阻都未并联在表头两端，以至流过表头的电流超过其满偏电流而损坏，（3）如右图所示。改装原理内阻测定改装过程校正过程串联分压、并联分流半偏法、替换法1、有一电流表G，满偏电流Ig=3mA.（1）把它改装成量程为3V的电压表，需测量出电流表的内阻Rg.①在右边方框中画出使用电流半偏法测量Rg的电路图.②简要叙述主要操作步骤：________________________________________________________________________________________________________________________________________________③对改装后的电压表，下列说法正确的是___________.A.允许通过的最大电流增大了B.刻度盘刻度不均匀了C.原电流表G自身的电阻增大了D.使用时加在原电流表G两端电压的最大值不能增大（2）把改装的电压表跟标准电压表进行核对，在右边方框中画出校正电路图.（3）通过以上问题的研究，请你谈谈理想化电表和非理想化电表的区别.【解析】略。【答案】（1）①如图甲所示.②合上开关S1，调整R的阻值，使电流表指针偏转到满刻度；合上开关S2，调整R′的阻值，使电流表指针偏转到满刻度的一半;读取R′的值即为电流表内阻Rg.③D（2）如图乙所示.（3）在大多数情况下，电压表和电流表都被看作理想的，即电压表内阻无穷大，电流表内阻为零，此时电表对电路是没有影响的.但是在某些题目中的电表并不是理想的（特别是实验性问题），这时的电表既是一个测量仪表，又是连接在电路中的一个电阻，电流表读数给出了通过核表内阻RA的电流强度，电压表读数给出了内阻RV两端的电压.计算电路中的电阻时，应将非理想电表的内阻也计算在内.2、为了测量一量程为3V的电压表的内阻RV（约几千欧），某同学采用了如图甲所示的电路，利用“半偏法”进行测量，电路中电阻箱R0的最大值为9999Ω，滑动变阻器R的最大阻值为50Ω.（1）按图甲所示将图乙所给的实物连成测量电路.（2）该同学测量电压表的内阻时，其实验步骤为：A.将电阻箱R0的阻值调到零；B.闭合开关S；C.连接好电路，注意断开开关S；D.E.调节电阻箱R0的阻值，使电压表的示数为V;F.调节滑动变阻器R，使电压表的示数为3V；G.记下此时电阻箱R0的阻值.上述实验步骤合理的顺序为_______________________.（3）若所记电阻箱R0的阻值为6kΩ，则用此法测得的电压表内阻是___________kΩ，其测量结果与其真实值相比___________________（填“偏大”、“偏小”或“相等”）.（4）若将此电压表改装成量程为15V的电压表，需_____联一个阻值为_____kΩ的电阻.【解析】本题实质上是半偏法测电阻的拓展，将R0调为零，调节P的位置，使电压表满偏；之后，必须保持P的位置不变而调节R0使电压表半偏，则可认为RV=R0.另改装成电压表时，可从R串=（n-1)Rg入手进行计算,其中n为电压量程的扩大倍数.【答案】（1）见右图（2）CDABFEG（3）6偏大（4）串24【点评】本实验的一个关键点是，在调节R0时，应保持P的位置不再变化；以确保加在Pb之间的电压不再变化，事实上，即使不改变P的位置，当调节R0时，伏特表与R0支路的总电阻已经增大，总电流减小，加在Pb间的电压增大，当伏特表半偏时，R0上的电压实际上已大于伏特