例析電表的“反串”功能

(浙江省義烏市第二中學(xué)，浙江　義烏　322000)

通常情況下，電流表用來測(cè)量電路中電流，電壓表用來測(cè)量負(fù)載電阻兩端電壓等。但在某些特定條件下，電流表可“反串”電壓表的作用，電壓表也可“反串”電流表的作用，本文就此問題通過實(shí)例進(jìn)行分析和討論。

1　電流表“反串”電壓表

電流表的內(nèi)阻比較小，允許加在它兩端的電壓較小。若被測(cè)電阻兩端的電壓較小，當(dāng)把電流表并聯(lián)在它兩端時(shí)，通過電流表的電流沒有超過量程，則電流表兩端的電壓即為被測(cè)電阻兩端的電壓。即：U測(cè)=U電流表=I電流表r電流表。采用這種方法的條件是由于電流表的接入給電路帶來的變化不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

例1(2002年全國(guó)高考卷)：從如下選項(xiàng)中選出適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)一電路來測(cè)量電流表A1的電阻r1。要求方法簡(jiǎn)捷，有盡可能高的測(cè)量精度，并能測(cè)得多組數(shù)據(jù)。

A. 電流表A1，量程10mA，內(nèi)阻r1待測(cè)(約40Ω)

B. 電流表A2，量程500μA，內(nèi)阻r2=750Ω

C. 電壓表V，量程10V，內(nèi)阻r3=10KΩ

D. 電阻R1，阻值約100Ω，作保護(hù)電阻用

E. 滑動(dòng)變阻器R2，總阻值約50Ω

F. 電源E，電動(dòng)勢(shì)1.5V，內(nèi)阻很小

G. 開關(guān)S

H. 導(dǎo)線若干

所以，只要控制電流表A1兩端的電壓，使得通過電流表A2的電流不超過500μA，就能獲得較理想的測(cè)量結(jié)果。

由于滑動(dòng)變阻器最大阻值與電流表A1的內(nèi)阻r1較接近，且實(shí)驗(yàn)要求多測(cè)幾組數(shù)據(jù)，則滑動(dòng)變阻器應(yīng)接成分壓電路。這樣，就可以設(shè)計(jì)出如圖1所示的實(shí)驗(yàn)電路。

圖1

2　電壓表“反串”電流表

例2(2004年全國(guó)高考卷)：用以下器材測(cè)量一待測(cè)電阻Rx的阻值(900～1000Ω)：

電源E，具有一定內(nèi)阻，電動(dòng)勢(shì)約為9.0V；

電壓表V1，量程為1.5V，內(nèi)阻r1=750Ω；

電壓表V2，量程為5V，內(nèi)阻r2=2500Ω；

滑線變阻器R，最大阻值約為100Ω；

單刀單擲開關(guān)K，導(dǎo)線若干。

(2) 根據(jù)你所畫的電路原理圖在題給的實(shí)物圖上畫出連線。

(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(cè)得量表示Rx的公式為Rx=_________。

解析：由于提供的實(shí)驗(yàn)器材中沒有電流表，要測(cè)量被測(cè)電阻Rx的阻值，則需要測(cè)出通過被測(cè)電阻Rx的電流，為此，兩個(gè)電壓表中有一個(gè)要“反串”電流表。

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

① 如圖7所示，采用“電流表”內(nèi)接法時(shí)，加在電壓表V1兩端的電壓U1=I2(Rx+r2)=6.67×10-4×(2500+900)V=2.3V。電壓表V1的讀數(shù)已超過量程，因此，這種連接方式不可取。

圖7

圖8

圖9

圖10

3　電流表和電壓表互相“反串”

電流表可以測(cè)電壓，電壓表也可以測(cè)電流。因此，在實(shí)驗(yàn)條件允許的情況下，兩者的角色可以互換，即電流表可以充當(dāng)電壓表的功能，電壓表可以充當(dāng)電流表的功能。

例3：2010年廣州亞運(yùn)盛會(huì)堪稱是LED綠色照明技術(shù)、節(jié)能照明產(chǎn)品得到全面應(yīng)用的照明科技博覽會(huì)。無論是海心沙、廣州塔、廣州中軸線城市景觀照明等重點(diǎn)工程項(xiàng)目，還是亞運(yùn)城、大學(xué)城等數(shù)十個(gè)場(chǎng)館和設(shè)施，處處都閃耀著國(guó)產(chǎn)LED綠色照明、節(jié)能照明產(chǎn)品的光芒。某實(shí)驗(yàn)小組要精確測(cè)定額定電壓為3V的LED燈正常工作時(shí)的電阻，已知該燈正常工作時(shí)電阻大約500Ω左右，電學(xué)符號(hào)與小燈泡電學(xué)符號(hào)相同。

實(shí)驗(yàn)室提供的器材有：

電流表A1(量程為0至50mA，內(nèi)阻RA1約為3Ω)；

電流表A2(量程為0至3mA，內(nèi)阻RA2=15Ω)；

定值電阻R1=697Ω；

定值電阻R2=1985Ω；

滑動(dòng)變阻器R(0至20Ω)一只；

電壓表V(量程為0至12V，內(nèi)阻RV=1kΩ)；

蓄電池E(電動(dòng)勢(shì)為12V，內(nèi)阻很小)；

電鍵S一只。

(1) 畫出應(yīng)采用的實(shí)驗(yàn)電路圖；

(2) 寫出測(cè)量LED燈正常工作時(shí)的電阻表達(dá)式Rx=_________。

解析：由于電表的量程限制，導(dǎo)致電流表不能直接測(cè)量通過被測(cè)電阻的電流，電壓表不能直接測(cè)量被測(cè)電阻兩端的電壓，需要互換角色。

圖11

從以上計(jì)算結(jié)果看出，電流表可以充當(dāng)電壓表的作用，電壓表可以充當(dāng)電流表的作用。由于滑動(dòng)變阻器總阻值比待測(cè)電阻阻值小很多，它的限流作用不明顯，故控制電路應(yīng)采用分壓式接法。結(jié)合以上分析，可設(shè)計(jì)出精確測(cè)定額定電壓為3V的LED燈正常工作時(shí)的電阻的電路(如圖11)。

總之，我們要熟練把握電表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，學(xué)會(huì)正確、靈活應(yīng)用電表進(jìn)行相關(guān)的測(cè)量，掌握科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，從而提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰途C合分析能力。