電表角色互換的使用
2007-12-31 00:00:00蔣基豪
物理教學探討 2007年8期
使用電表常規(guī)的接法是將電流表串聯(lián)接入電路中，電壓表并聯(lián)接在電路上?！犊荚嚧缶V》中要求學生會正確地使用電流表和電壓表。這也是多年以來高考的熱門考點。但是近幾年來，在考試中多次考到電表的非常規(guī)應用，突出對學生知識遷移能力的考查。因此，同學們不但要掌握好電表的常規(guī)應用，更要對實際問題中電表的非常規(guī)應用有足夠的分析能力。在實際應用過程中，盡管電流表的內阻很小，但不為零；盡管電壓表的內阻很大，但不是無窮大，即是說在實際應用過程中，兩電表并非理想的。下面，就非常規(guī)應用過程中的幾個典型問題作簡要分析。
1 用電流表替代電壓表“測電壓”
當電路中的電流很小時，我們可以將電流表串聯(lián)到電路中，充當電壓表，利用公式Ug=IR，讀出電流，從而求到兩端電壓。
例1 (2000年全國卷)從下列器材中選出適當?shù)钠鞑?，設計一個測量電路來測量電流表A1的內阻r1，要求方法簡捷，有盡可能高的測量精度，并能測得多組數(shù)據(jù)。待測電流表A1（量程10mA，內阻r1約為40Ω），電流表A2（量程500μA，內阻r2為750Ω），電壓表V（量程10V，內阻r3為10KΩ），電阻R1（阻值約為100Ω，起保護電阻的作用），滑動變阻器R2（總阻值約為50Ω），電源E（電動勢為1.5V，內阻很?。?，此外還有開關K和導線若干。
①畫出電路圖，標明所用器材代號；
②若選測量數(shù)據(jù)中的一組來計算電流表A1的內阻，則所用的表達式為r1=___________。式中各符號的意義是_____________。
解析 由題給數(shù)據(jù)可知，被測電流表A1兩端允許施加的最大電壓為0.4V，遠小于所給電壓表的量程10V，因而不能用電壓表測待測電流表A1兩端的電壓。而內阻已知的電流表A2兩端允許加的最大電壓為0.375V與0.4V接近，所以可用A2替代電壓表“測電壓”，將A1和A2并聯(lián)。另外由題目要求可知：為了有盡可能高的測量精度，并能測得多組數(shù)據(jù)，所以滑動變阻器應采用分壓接法，由于電流表的內阻很小，所以應將R1作為保護電阻與并聯(lián)的電流表A1、A2串聯(lián)起來。電路圖如圖1所示。
由上可知：A1兩端的電壓為I2r2，電流為I1，由歐姆定律可得電流表A1的內阻為r1=I2r2/I1， I1表示通過電流表A1的電流，I2表示通過A2的電流。
2 用電壓表替代電流表“測電流”
當電路中沒有電壓表出現(xiàn)的時候，我們可以運用電壓表串聯(lián)起來測出自身的電壓，利用內阻關系，求得電壓表所在電路的電流，達到用電壓表測電流的目的。
例2 (2004年全國卷) 用以下器材測量一待測電阻Rx的阻值（900Ω-1000Ω）：電源E（具有一定內阻，電動勢約為9.0V）；電壓表V1（量程為1.5V，內阻r1=750Ω）；電壓表V2（量程為5V，內阻r2=2500Ω）；滑動變阻器R（最大阻值約為100Ω）；單刀單擲開關K，導線若干。
（1）測量中要求電壓表的讀數(shù)不小于其量程的1/3，試畫出測量電阻Rx的一種實驗電路原理圖（原理圖中的元件要用題圖中相應的英文字母標注）；
（2）根據(jù)你所畫的電路原理圖在題給的實物圖上畫出聯(lián)線。
（3）若電壓表V1的讀數(shù)用U1表示，電壓表V2的讀數(shù)用U2表示，則由已知量和測得量表示Rx的公式為Rx=_____________。
解析 本題的思維障礙在于無電流表，對學生熟悉的基本常規(guī)方法（電壓表測出待測電阻兩端電壓和電流表測出通過的電流，再利用部分電路歐姆定律解答）進行了遷移，只要意識到有一只電壓表將要扮演電流表的角色，思維障礙即被輕松跨越。注意到題目要求電壓表的讀數(shù)不小于其量程的1/3，通過簡單估算即可判斷兩電壓表的內阻RV(U/U0)R0。
3.2 如果沒有已知內阻的電壓表，再加一個已知阻值的定值電阻也能進行測量，如圖4所示，將待測電壓表和已知阻值的定值電阻串聯(lián)再和另一個電壓表并聯(lián)接入電路。
定值電阻的阻值為R，讀出電壓表V1的示數(shù)U1和待測電壓表V的示數(shù)U?？傻?U1-U)/R=U/RV，即則待測電壓表連接方式，圖2對應Rx=(U2r1r2)/(U2r1-U1r2)，圖3對應Rx=[(U2-U1)r1]/U1。本題的另一亮點是滑動變阻器限流式接法的調控范圍太窄，故選用分壓式接法。實物圖略。
總之，我們應抓住電阻的測量方法——歐姆定律，因此“用電壓表測出待測電阻兩端電壓和電流表測出通過的電流”是常規(guī)的基本思路。理清設計實驗的思路，認清電表其實是一個可以讀出電壓或電流的“電阻”，那么，在實驗過程中應注意誤差的分析，以及把握好“兩電表的角色互換”的精髓。通過分析，可以看出高考物理試題對實驗的考查越來越重視實驗思想和實驗方法。所以，大家物理實驗的學習過程中應該結合基礎，跳出常規(guī)約束，領會實質，把握精髓，提高遷移能力，使實驗能力得到真正的提高。
