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高二物理教案 磁电式电表内阻测定研究教案

[10-20 00:48:13]   来源：http://www.kmf8.com  高二物理教案   阅读：8103次
概要： 中学生电学实验所用的电压表、电流表和欧姆表都是磁电式仪表,磁电式电表在工农业生产和现代科技有广泛的应用,而磁电式电表内阻的测定,在近年高考中也是出现频率最高的知识点之一,笔者对中学生用的磁电式电表进行了比较详细的研究,现将有关研究作一介绍,供同行们参考。1. 磁电式电表的原理常用的电压表和电流表都是由小量程的电流表G(表头,也叫灵敏电流计)改装而成的,常用表头主要由永久磁铁和放入永久磁场中的可转动的线圈组成,当线圈中有电流通过时,线圈在磁场力的作用下带着指针一起偏转,电流越大,指针偏转的角度也越大,由指针在标有电流值的刻度上所指的位置就可以读出电流表的电流值。由欧姆定律知道,通过表头的电流跟加在表头两端的电压成正比,如果在刻度盘上标出电压值,由指针的位置就可以读出加在表头两端的电压值。为了能使电流表G在较小电流下就能有比较明显的偏转,就要求线圈的匝数要多,而质量要小(容易转动),表头的线圈只能用线径较小的铜线绕制,所以电流表G的满偏电压和电流一般都比较小,电流表G一般不能测定实际的电压和电流。电流表G串联一只大阻值的电阻改装成电压表。如果表头满偏电流是Ig=100&
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中学生电学实验所用的电压表、电流表和欧姆表都是磁电式仪表,磁电式电表在工农业生产和现代科技有广泛的应用,而磁电式电表内阻的测定,在近年高考中也是出现频率最高的知识点之一,笔者对中学生用的磁电式电表进行了比较详细的研究,现将有关研究作一介绍,供同行们参考。

1. 磁电式电表的原理

常用的电压表和电流表都是由小量程的电流表G(表头,也叫灵敏电流计)改装而成的,常用表头主要由永久磁铁和放入永久磁场中的可转动的线圈组成,当线圈中有电流通过时,线圈在磁场力的作用下带着指针一起偏转,电流越大,指针偏转的角度也越大,由指针在标有电流值的刻度上所指的位置就可以读出电流表的电流值。由欧姆定律知道,通过表头的电流跟加在表头两端的电压成正比,如果在刻度盘上标出电压值,由指针的位置就可以读出加在表头两端的电压值。

为了能使电流表G在较小电流下就能有比较明显的偏转,就要求线圈的匝数要多,而质量要小(容易转动),表头的线圈只能用线径较小的铜线绕制,所以电流表G的满偏电压和电流一般都比较小,电流表G一般不能测定实际的电压和电流。

电流表G串联一只大阻值的电阻改装成电压表。如果表头满偏电流是Ig=100μA,内阻Rg=1000Ω,要求改装成量程是3V的电压表。分析:由于表头满偏电压Ug=IgRg=0.1V,要求串联一个电阻R进行分压3-0.1=2.9V,由欧姆定律可以求出分压电阻: ,原理如图1所示。

电流表G并联一只小阻值的电阻改装成电流表。仍取上述表头,要求改装成量程是3A的电流表,分析:要求并联一个电阻R来进行分流3-0.0001=2.9999A,由欧姆定律可以求出分流电阻: ,原理如图2所示。

通过上述分析可知,电压表可等效成一个能显示自身电压的一个大阻值的定值电阻,电流表可等效成一个能显示自身电流的一个小阻值的定值电阻。

2. 关于中学生使用的磁电式电表的一些数据

为了能在实验中有效地选择仪器,现提供下列实用数据供参考。

学生用2.5级电压表

量程 电表内阻 满偏电流

3V 3KΩ 1 mA

15V 15 KΩ 1 mA

(表1)

学生用2.5级电流表

类别 电流计G 毫安表mA 电流表A

量程 200μA 1mA 10 mA 100mA 0.6A 3A

内阻 约1000Ω 约100Ω 约10Ω 约1Ω 约0.6Ω 0.12Ω

(表2)

多用电表中的欧姆表

类别 MF411(上海产) J0410(杭州产)

档位 满偏电流 中值电阻 满偏电流 中值电阻

R×1Ω 40 mA 40Ω 80 mA 20Ω

R×10Ω 4 mA 400Ω 8 mA 200Ω

R×100Ω 0.4 mA 4KΩ 0.8 mA 2KΩ

R×1KΩ 0.04 mA 40KΩ 0.08 mA 20 KΩ

R×10KΩ   1 mA 200 KΩ

(表3)

说明:R×10KΩ档,内回路的电源为高压电池,与其它档(R×1Ω、R×10Ω)不是同一组电源(1.5V的干电池)。

3. 电压表内阻测定的设计

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对2.5级学生用电压表,由上表1数据可知:3V量程的电压表内阻约为3KΩ,15V量程的电压表内阻约为15KΩ,满偏电流都约1mA。根据上述数据特点分析,电压表的内阻较大,允许通过的电流较小,可以从以下四个方面进行设计:

欧姆表粗测法  可行性分析:由表3相关数据分析不难得出,测3V量程电压表内阻,可用R×100Ω,测15V量程电压表内阻,可用R×1KΩ,这样测量时指针正好在中值电阻附近,有比较好的精度。

伏安法  可行性分析:因电压表内阻较大,并能显示自身电压,只要设法测出流过电压表的电流即可,用电源、电压表、电流表、电阻箱(不能用滑线变阻器,因滑线变阻器的电阻值远小于电压表的内阻,对电路无调节作用)和电键串联如图3电路即可,测量结果:RV= ,多测几次求平均值。由表1数据分析,电源取4-6V,电阻箱值大于3KΩ,电流表选1 mA。

串联电阻分压法  可行性分析:新干电池(电源)内阻很小,与RV相比可以忽略,U端=E。将电源、电压表、电阻箱和电键串联成如图4即可。测量时先将电阻箱调节至零,读出U1=E,然后将变阻调到某一整数(如:2KΩ),读出此时电压表值U2, 。

等效代替法  如果电压表表盘刻度糊涂不清,此种电压表头就少了一个能显示自身电压的功能,此时的电压表只能被看成一个大阻值的未知电阻了,通常可以用等效代替法进行。原理如图5所示:把电键先拨至1处,调节电阻箱R2使mA表为某一整数I(以后R2保持不改变),尽可能接近满偏(因为V表、A表出厂时是在满偏处校准的,此处精度较高),使电阻箱R1阻值处在较大位置上,将电键拨至2处,减小电阻箱R1的阻值,让mA表的读数等于刚才的那个整数I,记下此时电阻箱R1的读数R,即RV=R,此方法理论上误差为零。

4. 电流表内阻测定的困难

电流表按量程的大小可分为:微安表μA、毫安表mA、安培表A。由表2数据可知:电流表量程越大,分流电阻越小,也即电流表内阻越小。一般地,微安表μA的内阻在几百欧至1K欧左右,毫安表mA的内阻在100欧以下,(示教电流表:1mA的内阻约100欧左右,10mA的内阻约10欧左右,100mA的内阻约1欧左右),安培表的内阻很小,只有零点几欧。

伏安法测电流表内阻的困难:由电表改装原理可知,不论是何种量程的电流表,表头两端电压Ug很小,例如示教电流表:量程是100mA的电流表内阻1Ω,满偏电压Ug=0.1V,这么小的电压很难准确地用量程是3V的电压表测量,又如:量程是1 mA的电流表内阻100Ω,满偏电压仍为Ug=0.1V,仍然不能有效测量。当然用毫伏表可以进行,而中学生一般不用毫伏表。

欧姆表测量的困难:对于微安表μA,因为常用欧姆表正常测量电流在mA的数量级上,所以不能正常进行测量,如果测量,微安表μA指针会超过满偏许多,容易烧坏表头。对于mA级的电流表(1mA、10 mA、100 mA),表头满偏电流与欧姆表的相应档位的工作电流在同数量级上,能粗略地进行测量,但要注意,黑表笔接电流表的正极,否则电流表反转烧坏表头;对于学生用电流表(量程分别0.6A,3A),电流表的满偏电流远大于欧姆表的工作电流,绝对不会烧坏表头,但由于内阻太小,不管用那一欧姆档位,读数几乎全部接近零。

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