電流表改裝“六步曲”

陜西 邢彥君

將小量程電流表改裝成大量程電流表或電壓表，其程序可概括為一觀、二測、三定、四算、五改、六校。

一、改裝程序

觀：觀察小量程電流表的表盤，或小量程電流表的規(guī)格說明文字，讀出小量程電流表的量程，即它的滿偏電流Ig。

測：精確測出小量程電流表的電阻。

精確測量小量程電流表的電阻Rg，有三種常用方法。

一是半偏法，原理與步驟如下：

(1)按圖1所示連接電路，閉合開關(guān)S1、斷開S2，調(diào)節(jié)滑動變阻器R1，使電流表指針滿偏，即電路中的總電流為Ig。

圖1

測量的關(guān)鍵，一是保證電流表滿偏時R1接入電路的電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電流表電阻。這樣，電阻箱并聯(lián)接入前后，電路的總電阻幾乎不變化，從而使總電流幾乎不變。二是電源的電動勢應(yīng)較大，使R1接入電路的電阻很大時電路中的總電流能達(dá)到電流表的滿偏值。三是調(diào)節(jié)電阻箱R2時，R1接入電路的電阻要保持不變。

R1可以是滑動變阻器，也可以是電阻箱，只要最大電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電流表電阻即可，但R2必須是電阻箱，且精度要高，以保證其電阻的精微調(diào)節(jié)。

二是等效法或替代法，原理與步驟如下：

(1)如圖2所示，連接電路，閉合開關(guān)S1，將開關(guān)S2合向1，調(diào)節(jié)滑動變阻器R，使標(biāo)準(zhǔn)電流表有一較大示數(shù)(滿偏或接近滿偏)，記下此示數(shù)I。

圖2

(2)閉合開關(guān)S1，將開關(guān)S2合向2，保持滑動變阻器R接入電路電阻不變，調(diào)節(jié)電阻箱R1的電阻，使標(biāo)準(zhǔn)電流表的示數(shù)恢復(fù)為I，讀出此時R1的電阻。由閉合電路歐姆定律可知，待測電流表的電阻Rg=R1。

由于電流表指針偏轉(zhuǎn)角度越大，電流的測量誤差越小，為保證等效替代前后通過標(biāo)準(zhǔn)電流表的電流相等，實驗中應(yīng)使電路中的電流較大，一般可等于或接近標(biāo)準(zhǔn)電流表的滿偏值。

三是電橋法，其原理與步驟如下：

圖3

【例1】某同學(xué)利用如圖4甲所示的電路測量一微安表(量程為100 μA，內(nèi)阻大約為2 500 Ω)的內(nèi)阻。可使用的器材有：兩個滑動變阻器R1，R2(其中一個阻值為20 Ω，另一個阻值為2 000 Ω)；電阻箱Rz(最大阻值為99 999.9 Ω)；電源E(電動勢約為1.5 V)；單刀雙擲開關(guān)S1和S2。C、D分別為兩個滑動變阻器的滑片。

(1)按原理圖4甲將圖4乙中的實物連線。

(2)完成下列填空：

①R1的阻值為 Ω(填“20”或“2 000”)。

②為了保護(hù)微安表，開始時將R1的滑片C滑到接近圖4甲中的滑動變阻器的 (填“左”或“右”)端對應(yīng)的位置；將R2的滑片D置于中間位置附近。

③將電阻箱Rz的阻值置于2 500.0 Ω，接通S1。將R1的滑片置于適當(dāng)位置，再反復(fù)調(diào)節(jié)R2的滑片D的位置，最終使得接通S2前后，微安表的示數(shù)保持不變，這說明S2接通前B與D所在位置的電勢 (填“相等”或“不相等”)。

④將電阻箱Rz和微安表位置對調(diào)，其他條件保持不變，發(fā)現(xiàn)將Rz的阻值置于2 601.0 Ω時，在接通S2前后，微安表的示數(shù)也保持不變。待測微安表的內(nèi)阻為 Ω(結(jié)果保留到個位)。

(3)寫出一條提高測量微安表內(nèi)阻精度的建議： 。

【解析】(1)實物連接如答圖5所示。

(3)電流表測電流時，指針偏轉(zhuǎn)角度越大，測量誤差越小。因此，為使前后兩次流過微安表的電流真正相等，實驗中應(yīng)使電流表的指針示數(shù)較大或接近滿偏。

【答案】(1)如圖5所示 (2)①20 ②左 ③相等 ④2 550 (3)使電流表的指針示數(shù)較大

圖5

【點評】電流表、電壓表使用時，指針偏轉(zhuǎn)角度越大，測量誤差越小。

定：確定改裝成的電壓表、電流表的量程。

依據(jù)實驗中測量電路兩端的最大電壓，流過的最大電流，可確定改裝后電壓表的量程U、電流表的量程I。

算：算出應(yīng)給小量程電流表并聯(lián)的分流電阻或串聯(lián)的分壓電阻的電阻值。

改：給小量程電流表并聯(lián)接入分流電阻R或串聯(lián)接入分壓電阻R(或?qū)㈦娮柘涞淖柚嫡{(diào)至等于R后與小量程電流表并聯(lián)或串聯(lián))，并改變原電流表的表盤刻度值。

校：校準(zhǔn)改裝成的電流表或電壓表的刻度

將改裝成的電流表(電壓表)與標(biāo)準(zhǔn)電流表(標(biāo)準(zhǔn)電壓表)串聯(lián)(并聯(lián))接入電路，調(diào)節(jié)電路中的電流(電壓)從零開始增大，觀察改裝成的電流表(電壓表)的示數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)電流表(電壓表)的示數(shù)差異，從而調(diào)整分流電阻(分壓電阻)的電阻大小，使得改裝成的電流表(電壓表)與標(biāo)準(zhǔn)電流表(標(biāo)準(zhǔn)電壓表)總有相同的示數(shù)。

二、改裝示例

【例2】某同學(xué)要把一個量程為200 μA的直流電流表G改裝成量程為4 V的直流電壓表。

(1)他按圖6所示電路，用半偏法測定電流表G的內(nèi)電阻Rg。為使Rg的測量值盡量準(zhǔn)確，在以下器材中，電源E應(yīng)選用 ，R1應(yīng)選用 ，R2應(yīng)選用 (填器材前的字母)。

圖6

A．電源(電動勢1.5 V)

B．電源(電動勢6 V)

C．電阻箱(0～999.9 Ω)

D．滑動變阻器(0～500 Ω)

E．滑動變阻器(0～10 kΩ)

(2)該同學(xué)在開關(guān)斷開情況下，檢查電路連接無誤后，將R1、R2的阻值調(diào)至最大。后續(xù)的實驗操作步驟依次是 ， ， ， ，最后記錄R2的阻值并整理好器材。(請按合理的實驗順序，選填下列步驟前的字母)

A．閉合S1

B．閉合S2

C．調(diào)節(jié)R1的阻值，使電流表指針偏轉(zhuǎn)到滿刻度

D．調(diào)節(jié)R1的阻值，使電流表指針偏轉(zhuǎn)到滿刻度的一半

E．調(diào)節(jié)R2的阻值，使電流表指針偏轉(zhuǎn)到滿刻度的一半

F．調(diào)節(jié)R2的阻值，使電流表指針偏轉(zhuǎn)到滿刻度

(3)若電流表半偏時電阻箱的R2的阻值為300.0 Ω，則被測電流表G的內(nèi)阻Rg的測量值為 Ω，該測量值 (填“略大于”“略小于”或“等于”)真實值。

(4)給電流表G (填“串”或“并”)聯(lián)一個阻值為 Ω的電阻，就可以將該電流表G改裝為量程4 V的電壓表。

(5)對改裝成的電壓表用標(biāo)準(zhǔn)電壓表V0進(jìn)行校對，請完成圖7所示校對電路。

圖7

【解析】(1)實驗中R2接入電路的電阻應(yīng)能讀出，必須是電阻箱，應(yīng)選C。實驗要求電阻箱與電流表并聯(lián)前后，干路總電流保持不變，為此，應(yīng)該使電路的總電阻主要由與電流表串聯(lián)的滑動變阻器接入電路的電阻決定，這就要求當(dāng)電流表滿偏時滑動變阻器接入電路的電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電流表的電阻，R1應(yīng)選E。這樣選擇后，電路的總電阻很大，為使電路中的總電流能達(dá)到電流表滿偏值，電源的電動勢應(yīng)該較大些，電源應(yīng)選B。

(2)測電流表電阻實驗的操作步驟是ACBE。

(3)當(dāng)調(diào)節(jié)電阻箱使電流表半偏時，干路電流幾乎未變，電阻箱與電流表兩并聯(lián)支路的電流相等，則兩支路電阻相等。此時的R2的阻值為300.0 Ω，則被測電流表G的電阻Rg的測量值為300.0 Ω。電阻箱并入后，電路的總電阻減小了，干路電流增大了，電流表半偏時，流過電阻箱的電流大于流過電流表的電流，此時電阻箱接入的電阻小于電流表的電阻。因此，該測量值略小于真實值。

(4)將電流表改裝成量程U=4 V電壓表，設(shè)應(yīng)串聯(lián)接入分壓電阻R，由歐姆定律及串聯(lián)電路分壓關(guān)系有U=Ig(Rg+R)，代入數(shù)據(jù)解得R=19.7 kΩ=1.97×104Ω。

(5)校對改裝成的電壓表，將電壓表與標(biāo)準(zhǔn)電壓表并聯(lián)，使兩端的電壓從零開始變化，觀察兩表示數(shù)的差值，確定對改裝時串接給電流表的分壓電阻增大些還是減小些。所以滑動變阻器應(yīng)采用分壓式接法，校對電路如圖8所示。

圖8

【答案】(1)BEC (2)ACBE (3)300 略小于 (4)串 1.97×104(5)如圖8所示

【點評】對改裝成的電壓表、電流表校對時，一般應(yīng)使其示數(shù)從零逐漸增大，逐次校對，控制其電壓變化的滑動變阻器應(yīng)采用分壓式接法。

【例3】圖9甲為某同學(xué)改裝和校準(zhǔn)毫安表的電路圖，其中虛線框內(nèi)是毫安表的改裝電路。

圖9

(1)已知毫安表表頭的內(nèi)阻為100 Ω，滿偏電流為1 mA；R1和R2為阻值固定的電阻。若使用a和b兩個接線柱，電表量程為3 mA；若使用a和c兩個接線柱，電表量程為10 mA。由題給條件和數(shù)據(jù)，可求出R1= Ω，R2= Ω。

(2)現(xiàn)用一量程為3 mA、內(nèi)阻為150 Ω的標(biāo)準(zhǔn)電流表對改裝電表的3 mA擋進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)時需選取的刻度為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mA。電池的電動勢為1.5 V，內(nèi)阻忽略不計；定值電阻R0有兩種規(guī)格，阻值分別為300 Ω和1 000 Ω；滑動變阻器R有兩種規(guī)格，最大阻值分別為750 Ω和3 000 Ω。則R0應(yīng)選用阻值為 Ω的電阻，R應(yīng)選用最大阻值為 Ω的滑動變阻器。

(3)若電阻R1和R2中有一個因損壞而阻值變?yōu)闊o窮大，利用圖9乙的電路可以判斷出損壞的電阻。圖9乙中的R′為保護(hù)電阻，虛線框內(nèi)未畫出的電路即為圖9甲虛線框內(nèi)的電路。則圖中的d點應(yīng)和接線柱 (填“b”或“c”)相連。判斷依據(jù)是 。

【解析】(1)使用a、b兩個接線柱時是量程I1=3 mA的電流表，對a、b間電路由并聯(lián)電路的電壓關(guān)系有IgRg=(I1-Ig)(R1+R2)，使用a、c兩個接線柱時是量程I2=10 mA的電流表，對a、c間電路同理有Ig(Rg+R2)=(I2-Ig)R1。代入數(shù)據(jù)解得R1=15 Ω，R2=35 Ω。

(3)電阻R1和R2中有一個因損壞而阻值變?yōu)闊o窮大，該電阻處將斷路。檢測時若d接b，a、d間電路與R1和R2通斷無關(guān)，電流表中的電流不會因電阻斷路而中斷，電流表總有示數(shù)。d接c時，若R2損壞，閉合開關(guān)后電流表示數(shù)為零；若R1損壞則閉合開關(guān)后電流表示數(shù)不為零。因此，圖中的d點應(yīng)和接線柱c相連，依據(jù)開關(guān)閉合后電流表示數(shù)是否為零，可判斷出哪個電阻損壞。

【答案】(1)15 35 (2)300 3 000 (3)c