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2018高考物理步步高 第七章 实验九


实验九

练习使用多用电表

一、电流表与电压表的改装 1.改装方案 改装为电压表 原理 串联电阻分压 改装为大量程的电流表 并联电阻分流

改装原理图

U=Ig(Rg+R) 分压电阻或分流电阻 U 故 R= -Rg Ig RV=Rg+R>Rg

IgRg=(I-Ig)R IgRg 故 R= I-Ig RA= RRg <R R+Rg g

改装后电表内阻

2.校正 (1)电压表的校正电路如图 1 所示,电流表的校正电路如图 2 所示.

图1

图2

(2)校正的过程是:先将滑动变阻器的滑动触头移到最左端,然后闭合开关,移动滑动触头, 使改装后的电压表(电流表)示数从零逐渐增大到量程值, 每移动一次记下改装的电压表(电流 表)和标准电压表(标准电流表)示数,并计算满刻度时的百分误差,然后加以校正. 二、欧姆表原理(多用电表测电阻原理) 1.构造:如图 3 所示,欧姆表由电流表 G、电池、调零电阻 R 和红、黑表笔组成.

图3 欧姆表内部:电流表、电池、调零电阻串联. 外部:接被测电阻 Rx. 全电路电阻 R 总=Rg+R+r+Rx. E 2.工作原理:闭合电路欧姆定律,I= . Rg+R+r+Rx 3.刻度的标定:红、黑表笔短接(被测电阻 Rx=0)时,调节调零电阻 R,使 I=Ig,电流表的 指针达到满偏,这一过程叫欧姆调零. (1)当 I=Ig 时,Rx=0,在满偏电流 Ig 处标为“0”.(图甲) (2)当 I=0 时,Rx→∞,在 I=0 处标为“∞”.(图乙) Ig (3)当 I= 时,Rx=Rg+R+r,此电阻值等于欧姆表的内阻值,Rx 叫中值电阻. 2 三、多用电表 1.多用电表可以用来测量电流、电压、电阻等,并且每一种测量都有几个量程. 2.外形如图 4 所示:上半部为表盘,表盘上有电流、电压、电阻等多种量程的刻度;下半 部为选择开关,它的四周刻有各种测量项目和量程.

图4 3.多用电表面板上还有:欧姆表的欧姆调零旋钮(使电表指针指在右端零欧姆处)、指针定 位螺丝(使电表指针指在左端的“0”位置)、表笔的正、负插孔(红表笔插入“+”插孔,黑 表笔插入“-”插孔).

四、二极管的单向导电性 1.晶体二极管是由半导体材料制成的,它有两个极,即正极和负极,它的符号如图 5 甲所 示.

图5 2.晶体二极管具有单向导电性(符号上的箭头表示允许电流通过的方向).当给二极管加正 向电压时,它的电阻很小,电路导通,如图乙所示;当给二极管加反向电压时,它的电阻很 大,电路截止,如图丙所示. 3. 将多用电表的选择开关拨到欧姆挡, 红、 黑表笔接到二极管的两极上, 当黑表笔接“正” 极,红表笔接“负”极时,电阻示数较小,反之电阻示数很大,由此可判断出二极管的正、 负极.

1.实验器材 多用电表、电学黑箱、直流电源、开关、导线若干、小灯泡、二极管、定值电阻(大、中、 小)三个. 2.实验步骤 (1)观察:观察多用电表的外形,认识选择开关的测量项目及量程. (2)机械调零:检查多用电表的指针是否停在表盘刻度左端的零位置.若不指零,则可用小 螺丝刀进行机械调零. (3)将红、黑表笔分别插入“+”、“-”插孔. (4)测量小灯泡的电压和电流. ①按如图 6 甲所示的电路图连好电路, 将多用电表选择开关置于直流电压挡, 测小灯泡两端 的电压.

图6 ②按如图乙所示的电路图连好电路,将选择开关置于直流电流挡,测量通过小灯泡的电流. (5)测量定值电阻 ①根据被测电阻的估计阻值,选择合适的挡位,把两表笔短接,观察指针是否指在欧姆表的 “0”刻度,若不指在欧姆表的“0”刻度,调节欧姆调零旋钮,使指针指在欧姆表的“0” 刻度处; ②将被测电阻接在两表笔之间,待指针稳定后读数; ③读出指针在刻度盘上所指的数值,用读数乘以所选挡位的倍率,即得测量结果; ④测量完毕,将选择开关置于交流电压最高挡或“OFF”挡.

1.多用电表使用注意事项 (1)表内电源正极接黑表笔, 负极接红表笔, 但是红表笔插入“+”插孔, 黑表笔插入“-” 插孔,注意电流的实际方向应为“红入”,“黑出”. (2)区分“机械零点”与“欧姆零点”.机械零点是表盘刻度左侧的“0”位置,调整的是表 盘下边中间的指针定位螺丝;欧姆零点是指刻度盘右侧的“0”位置,调整的是欧姆调零旋 钮. (3)由于欧姆挡表盘难以估读,测量结果只需取两位有效数字,读数时注意乘以相应挡位的 倍率. (4)使用多用电表时,手不能接触表笔的金属杆,特别是在测电阻时,更应注意不要用手接 触表笔的金属杆. (5)测量电阻时待测电阻要与其他元件和电源断开,否则不但影响测量结果,甚至可能损坏 电表. (6)测电阻时每换一挡必须重新欧姆调零. (7)使用完毕, 选择开关要置于交流电压最高挡或“OFF”挡. 长期不用, 应把表内电池取出.

2.多用电表对电路故障的检测 (1)断路故障的检测方法 ①用直流电压挡: a.将电压表与电源并联,若电压表示数不为零,说明电源良好,若电压表示数为零,说明 电源损坏. b.在电源完好时,再将电压表与外电路的各部分电路并联.若电压表示数等于电源电动势, 则说明该部分电路中有断点. ②用直流电流挡: 将电流表串联在电路中,若电流表的示数为零,则说明与电流表串联的部分电路断路. ③用欧姆挡检测 将各元件与电源断开,然后接到红、黑表笔间,若有阻值(或有电流)说明元件完好,若电阻 无穷大(或无电流)说明此元件断路. (2)短路故障的检测方法 ①将电压表与电源并联,若电压表示数为零,说明电源被短路;若电压表示数不为零,则外 电路的部分电路不被短路或不完全被短路. ②用电流表检测,若串联在电路中的电流表示数不为零,故障应是短路.

命题点一 教材原型实验 例1 在“练习使用多用电表”的实验中:

图7 (1)某同学用多用电表测量电阻,电路如图 7 甲所示,若选择开关置于“×100”挡,按正确 使用方法测量电阻 Rx 的阻值,指针位于图乙所示位置,则 Rx=________ Ω.

(2)若该欧姆表使用一段时间后,电池电动势变小,内阻变大,但此表仍能调零,按正确使 用方法再测上述 Rx,其测量结果与原结果相比将________(选填“变大”“变小”或“不 变”). (3)某同学利用图甲中的器材设计了一只欧姆表,其电路如图丙所示. ①关于该欧姆表,下列说法正确的是________. A.电阻刻度的零位在表盘的右端 B.表盘上的电阻刻度是均匀的 C.测量前,不需要红、黑表笔短接调零 D.测量后,应将开关 S 断开 ②某同学进行如下操作:当 Rx 未接入时,闭合开关 S,将红、黑表笔分开时,调节可变电 阻,使电流表满偏.当 Rx 接入 A、B 表笔之间时,若电流表的指针指在表盘的正中央,则待 测电阻 Rx 的阻值为____________(已知电流表的内阻为 Rg,电池的内阻为 r,可变电阻接入 电路的阻值为 R). 答案 (1)700 (2)变大 ?R+r?Rg (3)①CD ② R+r+Rg

解析 (1)欧姆表的示数乘以相应挡位的倍率,即待测电阻的阻值,图示读数为 7×100 Ω= 700 Ω. (2)当电池电动势变小、内阻变大时,欧姆表需要重新调零,由于满偏电流 Ig 不变,由公式 Ig= E 可知,欧姆表内阻 R 内应调小,待测电阻的测量值是通过电流表的示数体现出来的, R内

IgR内 E Ig 由 I= = = 可知,当 R 内变小时,I 变小,指针跟原来的位置相比偏左了, Rx R内+Rx R内+Rx 1+ R内 欧姆表的示数变大了. (3)①由图丙可知,该欧姆表利用并联电路特点与闭合电路欧姆定律测电阻阻值,电阻刻度 的零位置在表盘的左端, 由闭合电路欧姆定律可知, 表盘上的电阻刻度是不均匀的, 测量前, 不需要红、黑表笔短接调零,测量后,应将开关 S 断开,故选项 A、B 错误,C、D 正确. ②当 Rx 未接入时,闭合开关 S,将红、黑表笔分开,调节可变电阻使电流表满偏,由闭合 电路欧姆定律得:Ig= E ,当 Rx 接入 A、B 表笔之间时,若电流表的指针指在表盘的 r+Rg+R ?R+r?Rg Rx · ,联立解得 Rx= . Rg· Rx Rg+Rx R+r+Rg r+R+ Rg+Rx E

1 正中央,由闭合电路欧姆定律得 Ig= 2

1.某同学使用多用电表测电阻,如图 8 是多用电表的刻度盘,选用倍率为“×10”的欧姆 挡测电阻时,表针指示图示位置,则所测电阻的阻值为__________ Ω.如果要用此多用电表 测量一个约 2.0×104 Ω 的电阻,为了使测量比较精确,应选的欧姆挡是__________(选填 “×10”“×100”“×1k”或“×10k”).若测量结束后,该同学将两表笔短接,发现电 表指针指在电阻“0”刻度的右侧, 则上述电阻的测量值________(选填“偏大”“偏小”或 “不受影响”).

图8 答案 140 ×1k 偏小 解析 欧姆挡读数是读最外面一圈的示数,读出来是 14,读出的数再乘以倍率“×10”, 得所测电阻的阻值为 140 Ω; 欧姆挡选挡要让中值电阻与所测电阻差别不大,测量才会比较准确,因阻值约为 2×104 Ω, 表盘中值为 20,则选择×1k 即可; 每次换挡后要进行欧姆调零,如果将两表笔短接发现电表指针指在电阻“0”刻度的右侧, 说明实际阻值本应该从“0”刻度右侧作为起始值去读数, 读出来的数会比现在测量的更大, 则现在的测量值偏小. 2.某同学想通过一个多用电表的欧姆挡直接测量某电压表(量程为 10 V)的内阻(大约几十千 欧),该多用电表刻度盘上电阻刻度的中间值为 30.

图9 (1)欧姆挡的选择开关拨至__________(选填“×1k”或“×100”)挡,先将红、黑表笔短接

调零后,选用图 9 中________(选填“A”或“B”)方式连接. (2)如图 10 甲所示,该同学读出欧姆表的读数为______ Ω;如图乙所示,电压表的读数为 ________ V,欧姆表电池的电动势为________ V.

图 10 答案 (1)1k A (2)4×104 解析 5.0 8.75

(1)用多用电表测电阻时,应让指针指在中间刻度附近,因而应选 “×1k”挡.多用

电表测电阻时, 需要用其内部电源, 黑表笔接内部电源的正极, 电压表的两接线柱中, “+” 接线柱应接高电势端,因而 A 电路的连接方式正确. (2)题图甲中欧姆表的读数为 40×1 kΩ=40 kΩ.题图乙中电压表的读数为 5.0 V.由闭合电路 U 5.0 的欧姆定律知欧姆表中电池的电动势 E=U+Ir=U+ r=5.0 V+ ×30×103 V= R 40×103 8.75 V. 3.二极管具有单向导电性,其正向电阻很小,反向电阻很大,现有一个二极管其正极记为 A、负极记为 B.某同学研究二极管正、反向电阻的相关实验操作过程如下: (1)先用多用电表的欧姆挡测量其电阻,其正向电阻约为 10 Ω,反向电阻约为 50 kΩ,则在 测量二极管的正向电阻时,电表的红表笔应接________(填“A”或“B”). (2)该同学设计了如图 11 所示的电路用伏安法进一步测量该二极管正反向电压均为 2 V 时的 电阻值,二极管接在 1、2 之间,电压表的内阻约为 40 kΩ,选用多用电表的直流电流挡作 为电流表接在 3、4 之间.该多用电表的直流电流有三个量程,量程和对应的内阻分别为: ①50 μA,内阻约为 100 Ω;②50 mA,内阻约为 50 Ω;③250 mA,内阻约为 10 Ω.则在实验 过程中,多用电表的红表笔应与接线柱________(填“3”或“4”)相连;测二极管的反向电 阻时电流表的量程应选用________(填“①”“②”或“③”), 单刀双掷开关 S2 应拨向接点 ________(填“5”或“6”).

图 11 答案 (1)B 解析 (2)3 ① 6

(1)多用电表测电阻时红表笔接表内电池的负极,所以测二极管的正向电阻时应与二

极管的负极相连即与 B 相连;(2)红表笔是多用电表作直流电流表使用时的正接线柱,故应 与接线柱 3 相连;电压为 2 V 时,二极管反接时的电流约为 40 μA,所以应选用量程①;根 据电压表和电流表内阻应采用电流表内接法,所以单刀双掷开关 S2 应拨向接点 6. 命题点二 实验拓展创新 例2 小明在实验室中发现一个外观上像电阻的未知元件 D,设计了如图 12 甲所示电路进

行实验探究,请按要求回答问题:

图 12 (1)小明按图甲连接好电路,闭合开关 S,将滑动变阻器滑片缓慢地从 a 端移到 b 端,发现起 始阶段电压表的示数逐渐增大,后续阶段电压表示数保持 6 V 不变,若 D 为电阻元件,则 该过程中它的电阻值的变化情况可能是( )

A.阻值一直为 0 B.阻值先不变,后阶段变小 C.阻值恒定且远大于 R2 D.阻值先不变,后阶段变大 (2)根据元件 D 铭牌上的部分信息,小明从网络获知该元件为稳压二极管,它有正负极之分, 在电路中当 D 的正极接高电势时, 其 i-u 图线如图乙中 OC 所示, 当 D 的负极接高电势时, 其 i-u 图线如图乙中 OAB 所示,其中 AB 段为 D 的稳压工作区,由此可判断图甲中 D 的黑 色端是它的________极(填“正”或“负”). (3)小明接着设计了用多用电表欧姆挡按图丙对该元件进行探究,图丙中虚线框端是其内部 等效电路,已知电源电动势 E=9 V,电表满偏电流 Ig=3 mA.实验时小明先进行欧姆调零, 则调零后多用电表内部总电阻为______ Ω;调零后按图丙连接元件 D 进行测量,若 D 恰好 处于稳压工作区,则此时测得元件 D 的阻值应为________ Ω. 答案 (1)B (2)负 (3)3 000(或 3×103) 6 000(或 6×103) 解析 (1)因在滑片移动过程中,发现起始阶段电压表的示数逐渐增大,后续阶段电压表示

数保持 6 V 不变,则知元件阻值先不变,后阶段变小,故 B 正确. (2)结合第(1)问中所给条件,可知 D 元件黑色端为负极. E (3)由 R 总= ,解得 R 总=3 000 Ω;D 恰好处于稳压工作区时,其两端电压 U=6 V,而 U= Ig ERD ,解得 RD=6 000 Ω. R总+RD

4.如图 13 所示为多量程多用电表的示意图.

图 13 (1)当接通 1 或 2 时,为________挡(填“电流”“电阻”或“电压”).1 的量程比 2 的量程 ________(填“大”或“小”).

(2) 测量某电阻时,用欧姆挡“×10”挡时,发现指针偏转角度过大,他应该换用欧姆挡 __________挡(填“×1”或“×100”)换挡后,在测量前要先进行________. (3)该同学要测量多用电表直流“2.5 V”挡的内阻 RV(约为 20 kΩ).除此多用电表外,还有 以下器材:直流电源一个(电动势 E 为 3 V,内阻可忽略不计)、电阻一个(阻值 R 为 10 kΩ)、 开关一个、导线若干. 要求:(ⅰ)在方框中画出实验电路图(多用电表用 表示);

(ⅱ)写出 RV 的表达式(用字母表示,并说明所用字母的物理意义). 答案 (1)电流 大 (2)×1 欧姆调零 (3)见解析

解析 (1)将电流计改装成电流表时要并联电阻分流,所以 1、2 是电流挡;并联电阻越小, 分流越大,则改装的电流表量程越大,故 1 位置的量程较大. (2)因偏转角度过大,则电阻小,要用小量程的,选择“×1”挡,换挡后电路改变,要重新 进行欧姆调零. (3)(ⅰ)实验电路图如图所示.

(ⅱ)在设计的电路图中,多用电表与电阻串联,通过它们的电流相等,所以有

U E-U = , RV R

UR 因此 RV= ,其中 U 为多用电表直流“2.5 V”挡的读数,R 为 10 kΩ,E 为电源的电动 E-U 势. 5.二极管具有独特的单向导电性,当在二极管两极之间所加正向电压小于某值时,二极管 的电阻很大(1×106 Ω,甚至更大),而当正向电压超过某值时,二极管的电阻随两端电压的 升高而急剧减小.为了探究二极管的导电特性: (1)实验小组先用多用电表判断二极管的极性.步骤如下: A.将多用电表置于欧姆表“×100”挡,短接红、黑表笔,调整________,使指针指向表 盘右侧“0”位置; B.将二极管串接在两表笔之间,多用电表示数如图 14 中 a 所示; C.将二极管两极对调,多用电表示数如图中 b 所示,则此时与红表笔接触的是二极管的 ________(填“正”或“负”)极.

图 14 (2)实验小组设计了如图 15 所示的实验电路,通过实验测得相关数据如下表.

图 15 正向电压 U/V 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.55 0.60 0.65 0.68 0.70 正向电流 I/mA 0 0 0 0.02 0.26 0.56 1.13 1.79 2.37 3.00

①由二极管的特性和表中数据可知, 当电压表示数为 0.10~0.30 V 时, 图中开关 S 一定接在 位置________; ②根据表中数据,在图 16 中作出二极管的伏安特性曲线(要求保留所描的点迹),由图线可 知,二极管是________(填“线性”或“非线性”)元件.

图 16 (3)若此二极管为发光二极管,正常发光时通过的电流为 3.00 mA,若用 1.5 V 的电源供电, 则应该给二极管________(填“串”或“并”)联一个约________ Ω 的电阻.(结果保留三位 有效数字) 答案 (1)A.欧姆调零旋钮 C.负 (2)①1 ②见解析图 非线性 (3)串 267 解析 (1)A.欧姆表选挡后要进行欧姆调零,即短接两表笔,调整欧姆调零旋钮,使指针指

在表盘右侧“0”位置; C.步骤 B 中欧姆表示数很大,而步骤 C 中示数很小,由题中所给条件知,当示数很小时红 表笔所接为二极管负极. (2)①图中设计为伏安法测电阻的内接法和外接法可以互换的电路,当开关 S 接位置 1 时为 电流表内接法,接位置 2 时为电流表外接法.由表中数据可知,当电压表示数为 0.1~0.3 V 时电流表示数为 0,故电流表内接,开关 S 接在位置 1. ②描点作图如图所示,由图线可知二极管是非线性元件.

(3)发光二极管正常工作时两端电压为 0.7 V,电源电动势高于 0.7 V,应串联一个电阻,阻 E-U 1.5-0.7 值 R= = Ω≈267 Ω. - I 3×10 3


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