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1、 4 第 1 8卷( 总第 1 0 0期) 2 0 0 8年第6期中小学实验与装备 实验教学研究 欧姆表的“ 换挡 “ 调零 原理及电路分析 江苏省南京市第十二中学 ( 2 1 0 0 1 1 ) 罗贤辉 多用电表是电工学的必备工具， 也是高考 考 试说明 要求学生会使用的基本仪器， 其原理是恒 定电流这一章知识的综合应用。 多用电表的重中之 重又是其中的欧姆表。有关欧姆表的考题切入点 多、 综合性强 ， 突出考查学生的电路分析能力 ， 是实 验考查的难点所在。 图 1 图 2 与以往的教材相比， 新课程物理 选修 31 不仅给出了欧姆表 的“ 简化 电路图” ( 见 图 1 ) ， 还 给出
2、“ 多量程多用电表示意图” ( 见图2 ) ， 并要求 学生会分析其结构， 这体现出新课程培养能力、 注 重过程的教育主 旨。然而， 面对有关欧姆表的考 题， 多数同学依旧是束手无策， 根本原因还是搞不 清欧姆表内部各部分电路关系。其实， 弄清欧姆表 的原理 理 清欧 姆表 的结 构关 系， 关 键 就看 “ 换 挡” 、 “ 调零” 这两件事 。 搞清楚这两个问题 ， 难题也 就迎刃而解了。本文结合具体的例题。 深入挖掘欧 姆表内部电路的设计原因， 解决欧姆表的“ 换挡” 、 “ 调零” 问题 。 例题( 2 0 0 8 苏锡常镇四市联考题) 将满偏电流 为 5 0 、 内阻约为 8 0 0
3、 8 5 0 1 )的 5 9 C 型小量程电 流表 G ( 表头) 改装成两种倍率( 如“ X 1 ” 、 “ X 1 0 ” ) 的欧姆表。现有两种备选电路， 如图3 和图4 所示， 则图 ( 选填“ 3 ” 或“ 4 ” ) 为合理 电路 ； 另一 电路 不合理的原因是， 在合理的电路中， 当开关 s 合向 端。 这时的欧姆表是较大倍率挡。 正确的电路图应如图4所示。因为如图 3所示 不能改变电流表的量程， 即不可能实现多倍率。 如图 4 所示中s 接 d端为欧姆表的较大倍率挡。然而。 在没有弄清欧姆表“ 换挡必需并联” 和“ 调零必需分 流” 的特殊要求时。 学生根本看不出两种电路的本
4、质 区别在哪里 图 3 图 4 1 换挡电阻为什么要并联而不串联 众所周知， 欧姆表所能准确测量电阻值的范 围 ， 取决于选定某个挡位并调零后 ， 欧姆表 的内阻 大小， 也就是中值电阻的大小。中值电阻的数值， 可以用标注在表盘中心的刻度数乘以倍率。指针 指示刻度盘中间附近时。 读数的相对误差最小 小 于 1 0 ， 此时流过表头的实际电流约为满偏电流 ， 1 7 I g 的 一 半 ， ， 等 赢被 测 量 的 电 阻 R 的值， 也就约等于中值电阻。中值电阻越大， 则欧 姆表准确测量的范围越大。 换挡的目的， 就是通过改变中值电阻的大小来 2 0 0 8年第 6期中小学实验与装备 第 1
5、8卷( 总第 1 0 0期) 5 实现准确测量范围的缩放。从原理上看， 串人一个 更大的电阻， 欧姆表内阻 自然变大， 测量范围便随 之扩大。事实上， 这是行不通的， 因为如果是串联 方式， 串入的电阻再大， 经过调零 ， 也会被调零电阻 所抵消 ( 见图 3 ) ， 无论 开关 S接 口还是接 b ， 调零 后， 满偏 电流都相 等， 内阻也就 相等， 即 = E E ，d j l 甲 一 个 以后 ， 调零 电阻则由 变为 R R +R =R， 可 见， 欧姆表的内阻根本没变， 因此， 如图3 所示的串 联电阻方式起不到扩大量程 的作用。 那 么。 如何才 能改变 内阻 以实 现量程 的缩
6、放 呢?串联不行 ， 自然就采用 了并联 的方式 ， 未并联 时， 内阻最大 ， 量程也最大 ， 并联电阻后 ， 内阻减小 ， 欧姆表 的量程也就变小 ， 并联 的电阻越小 ， 内电阻 就越小 ， 量程也就越小 ， 从而达到改变量程的 目的。 问题是， 并联电阻后， 经过调零 ， 会不会象串联方式 一 样被调零电阻抵消呢?答案是 ： 不会 !如 图4所 示 ， 因为调零后 ， 接 C 时欧姆表的 内阻不等于而是 小于接 d时欧姆表 的内阻 ， 即 = ， g + R = 旦 一 ，S接 d时 ， 欧姆表 内阻更大 ， 是欧 I g+ 姆表 的较大倍率挡 。同时 ， 上 式表 明， 、 的差 异
7、越 大 ， 欧姆表 内阻的差异也越大。改变量程 ， 只 要并人不 同的电阻就可 以了。 5 0 0 f 1 对于一个最大阻值固定的调零电阻来说， 显 示是无法操作的， 对于 X 1 0 K挡位， 根本无法实现 调零功能。 实际应用中， 调零电阻并不是串联在电 路中调节总电阻达到满偏 的效果 ， 而是调整与表头 并联的两个支路 的分流分配关系 ( 见 图 5 ) 。如 图 5 所示， 由于限流电阻 的阻值很大， 调零对电路 总电阻的影响很小。 换档后。 中值电阻主要由并联 的各电阻大小决定。以 M F 1 4 1 ( J 0 4 0 1 ) 型多用电 表为例， 调零电阻变化时， X 1 、 X
8、1 0 、 1 0 0挡， 对 总内阻的影响。 分别 为 0 0 0 2 9 ， 0 0 3 3 ， 0 3 6 。 几乎可 以忽略不计 。可以认 为。 改变调零 电 阻的值， 中值电阻大小不变， 这也是刻度盘示数已 经固定所要求的。因此。 调零电阻不能如图4所示 那样 串联在 电路 中来分压 y 。 而要采用如图 5所示 的接法来调节两支路电流分配关系。这样的连接 方式， 对于减小电池使用时间过长， 电动势降低、 内 阻变大带来的误差 ， 也要有效得多。 2 调零电阻为什么要分流而不分压 3 总结与启示 换挡后 由于并联 了不 同的电阻， 必须重新调 零， 使表头 G重新达到满偏。但是， 如
9、果调零电阻 串联在电路 中， 如图4所示 ， 依旧是不科学的。如图 4 所示， 设表头满偏时对应的干路电流为 ， n ， 刻度盘 电流挡总刻度数为 3 0格 。 指针位于刻度盘中间时欧 姆挡读数为 l 5 ， 对应的中值电阻为 1 5 。假设未调零 前 ， 指针偏大或偏小仅一格 ， 则调零时， 调零 电阻阻 值的变化量为： E= ， 0 中= ， 0 R 2 ， AR= R 2 一 R 中= 中 中， 或者是 = 中一R 2 R中 中 ，仅一格之差， 1 挡要求调零电阻变化 0 5 Q， 1 0挡要求调零电阻变化 5 fl。 而 x1 0 0挡则要求 调零电阻变化5 0 Q。 X 1 K挡则要
10、求调零电阻变化 图 5 课本上所给出的图 。 只是为了帮助学生理解欧 姆表的“ 测量原理” ， 只能叫做欧姆表的“ 示意图” 不能叫做“ 电路原理图” 。欧姆表内部电路 的设 计 ， 不仅要考虑电流与被测电阻的数量关系 ， 还要 考虑怎样才能真正实现换挡、 调零以及最大程度减 小系统误差等技术问题。因此， 有关欧姆表的试 题 ， 应给出具体 电路 ， 并结合具体的电路来命制 。 否 则 ， 学生根据课本 上所给 的“ 图 1 ” 或 “ 图 2 来做 答 ， 往往是错误的。只有当学生彻底弄清楚欧姆表 “ 换挡” 、 “ 调零” 原理及电路特点后 ， 处理欧姆表的 各类问题才会游刃有余。 收稿 日 期： 2 0 0 8 0 9 1 8
