透視歐姆表實(shí)質(zhì) 突破電學(xué)實(shí)驗(yàn)

溫新寶

摘 要：剖析歐姆表的結(jié)構(gòu)及使用原理，采用等效電源的思想，把歐姆表視為一塊特殊的電源，為歐姆表的教學(xué)提供一個(gè)物理模型，也為解決歐姆表相關(guān)的問(wèn)題提供一解題思路。

關(guān)鍵詞：歐姆表；等效電源；閉合電路歐姆定律

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）7-0054-3

電學(xué)實(shí)驗(yàn)是高考的必考題型，也是考查靈活運(yùn)用電路知識(shí)與方法能力的好題型。近幾年高考試題中電學(xué)實(shí)驗(yàn)試題的變化特點(diǎn)與趨勢(shì)，主要表現(xiàn)在：對(duì)基本實(shí)驗(yàn)的改造，儀器基本原理的深度理解，利用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等方面。本文以歐姆表為例，芻議高考電學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1 透視電表的實(shí)質(zhì)，重新審視歐姆表

1.電表的共同特點(diǎn)：電表可分為電流表、電壓表和歐姆表，這3種電表有共同的特點(diǎn)。（1）共同的表頭即靈敏電流計(jì)，也就是磁電式電流表，從結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)來(lái)看就是多匝電阻絲，我們就把它視為一塊可顯示示數(shù)的特殊電阻，再特殊也是一塊電阻即符合部分電路的歐姆定律即U=IRg。（2）電表的正負(fù)接線柱的物理意義相同，均以電流的流向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)，電流總是從正接線柱流入，從負(fù)接線柱流出。

2.歐姆表的實(shí)質(zhì)：歐姆表是由靈敏電流計(jì)與電源、控制元件及待測(cè)電阻等組成的閉合電路，所以歐姆表可視為一塊特殊的電源，歐姆表等效為電源的內(nèi)部，歐姆表外部的電阻相當(dāng)于外電阻。（1）通過(guò)表盤(pán)的中值電阻直接讀出歐姆表的內(nèi)阻R=R。（2）由歐姆表的指針示數(shù)測(cè)出的是外電阻的阻值R。（3）歐姆表是一塊特殊電源，再特殊也是電源，即符合閉合電路的歐姆定律E=U+U。

2 高考試題研討，深化認(rèn)識(shí)電表

電學(xué)實(shí)驗(yàn)就是“帶電作業(yè)”，幾乎都離不開(kāi)電表的使用，實(shí)驗(yàn)原理基本上都是直流電路的基本規(guī)律。因此，可以將兩個(gè)或兩個(gè)以上的基本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行組合。下面以?xún)蓚€(gè)歐姆表的原理為核心的高考題為例，與大家共同探討電表的實(shí)質(zhì)。

案例1 （2011全國(guó)卷23）使用多用電表測(cè)量電阻時(shí)，多用電表內(nèi)部的電路可以等效為一個(gè)直流電源（一般為電池）、一個(gè)電阻和一表頭相串聯(lián)，兩個(gè)表筆分別位于此串聯(lián)電路的兩端。現(xiàn)需要測(cè)量多用電表內(nèi)電池的電動(dòng)勢(shì)，給定的器材有：待測(cè)多用電表，量程為60 mA的電流表，電阻箱，導(dǎo)線若干。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將多用電表調(diào)至“×1 Ω”擋，調(diào)好零點(diǎn)；電阻箱置于適當(dāng)數(shù)值。完成下列填空：

（1）儀器連線如圖l所示（a和b是多用電表的兩個(gè)表筆）。若兩電表均正常工作，則表筆a為_(kāi)________ （填“紅”或“黑”）色；

（2）若適當(dāng)調(diào)節(jié)電阻箱后，如圖1中多用電表、電流表與電阻箱的示數(shù)分別如圖2（a）（b）（c）所示，則多用電表的讀數(shù)為 Ω；電流表讀數(shù)為 mA；電阻箱的讀數(shù)為 Ω；

（3）將圖l中多用電表的兩表筆短接，此時(shí)流過(guò)多用電表的電流為_(kāi)________mA；

（4）計(jì)算得到多用電表內(nèi)電池的電動(dòng)勢(shì)為

_________V。（保留3位有效數(shù)字）

【解析】以歐姆表的實(shí)質(zhì)為根據(jù)，從3個(gè)方面去分析，本題就會(huì)迎刃而解。

1.根據(jù)電表正負(fù)接線柱的物理意義可知：“多用表歐姆擋工作時(shí)內(nèi)置電源正極與黑表筆相連”及“電流表工作時(shí)電流應(yīng)由‘+接線柱流入”，則表筆a應(yīng)為黑色。

2.歐姆表的內(nèi)外電阻的理解。多用電表調(diào)至“×1”擋，由多用電表的中值電阻可知?dú)W姆表內(nèi)阻R=R=15 Ω；由多用表指針讀數(shù)可知R=14 Ω，外電阻即電阻箱與電流表的阻值，也理解了歐姆表的示數(shù)與電阻箱的阻值是不等的，此時(shí)電阻箱讀數(shù)為4.6 Ω。

3.遵守閉合電路的歐姆定律，幾個(gè)外電路的狀態(tài)就對(duì)應(yīng)幾個(gè)方程。

（1）兩表筆短接時(shí)，由E=IR內(nèi)，得流過(guò)多用電表的電流為I=E/R=E/15=102 mA。

（2）當(dāng)電流表讀數(shù)為53 mA時(shí)，由閉合電路歐姆定律E=I×（R+R）可知E=1.54 V。

案例2 （2013·新課標(biāo)Ⅰ·23）某學(xué)生實(shí)驗(yàn)小組利用圖3（a）所示的電路，測(cè)量多用電表內(nèi)電池的電動(dòng)勢(shì)和電阻“×1 k”擋內(nèi)部電路的總電阻。使用的器材有：多用電表，電壓表（量程5 V，內(nèi)阻十幾千歐），滑動(dòng)變阻器（最大阻值5 kΩ），導(dǎo)線若干。

回答下列問(wèn)題：

（1）將多用電表?yè)跷徽{(diào)到電阻“×1 k”擋，再將紅表筆和黑表筆 ，調(diào)零點(diǎn)。

（2）將圖3（a）中多用電表的紅表筆和 （填“1”或“2”）端相連，黑表筆連接另一端。

（3）將滑動(dòng)變阻器的滑片調(diào)到適當(dāng)位置，使多用電表的示數(shù)如圖3（b）所示，這時(shí)電壓表的示數(shù)如圖3（c）所示。多用電表和電壓表的讀數(shù)分別為 kΩ和 V 。

（4）調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的滑片，使其接入電路的阻值為零。此時(shí)，多用電表和電壓表的讀數(shù)分別為12.0 kΩ和4.00 V。從測(cè)量數(shù)據(jù)可知，電壓表的內(nèi)阻為_(kāi)___kΩ。

（5）多用電表電阻擋內(nèi)部電路可等效為由一個(gè)無(wú)內(nèi)阻的電池、一個(gè)理想電流表和一個(gè)電阻串聯(lián)而成的電路，如圖3（d）所示。根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算可得，此多用電表內(nèi)電池的電動(dòng)勢(shì)為 ___V，電阻“×1 k”擋內(nèi)部電路的總電阻為 ___kΩ。

【解析】若從歐姆表實(shí)質(zhì)角度分析，這兩道題可以說(shuō)是驚人的相似。

1.根據(jù)電表正、負(fù)接線柱的物理意義可知：“多用表歐姆擋工作時(shí)內(nèi)置電源正極與黑表筆相連”及“電壓表工作時(shí)電流應(yīng)由‘+接線柱流入”，則紅表筆接1。

2.歐姆表的內(nèi)、外電阻的理解。多用電表調(diào)至“×1 k”擋，由多用電表的中值電阻可知?dú)W姆表內(nèi)阻R=R=15.0 kΩ；當(dāng)外電阻只有電壓表時(shí)，由多用表指針讀數(shù)可知R=12.0 kΩ，則R就是電壓表的內(nèi)阻。

3.遵守閉合電路的歐姆定律，一個(gè)外電路的狀態(tài)就對(duì)應(yīng)一個(gè)方程。

當(dāng)電壓表讀數(shù)為4.00 V時(shí)，由閉合電路歐姆定律E=U+ U可知E=U+=9.00 V。

透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，才能揭開(kāi)電表的神秘面紗。只要立足于根本去分析實(shí)驗(yàn)，我們會(huì)站到更高的層次去審視電學(xué)實(shí)驗(yàn)，消除對(duì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的恐懼感。

（欄目編輯 王柏廬）