基于電表的擴(kuò)程與校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可視化教學(xué)改革研究*

尹芬芬，張 宇，王 應(yīng)

(1.銅仁學(xué)院，貴州 銅仁 554300；2.銅仁市白水九年一貫制學(xué)校，貴州 銅仁 554300)

1 引言

電流表和電壓表在電的測(cè)量中有著極為廣泛的應(yīng)用，因此了解電表的構(gòu)造原理和改裝電表顯得尤為重要。表頭由于自身構(gòu)造，一般只允許小電流通過(guò)，只能測(cè)量較小的電流和電壓，如果要用它來(lái)測(cè)量較大的電流和電壓，就需進(jìn)行擴(kuò)程改裝。萬(wàn)用表的原理就是對(duì)微安表頭進(jìn)行多量程改裝而來(lái)，在電路的測(cè)量和故障檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。因此，了解電流表的構(gòu)造原理，學(xué)會(huì)電表的改裝擴(kuò)程與校準(zhǔn)極為重要。

電表的擴(kuò)程與校準(zhǔn)是物理學(xué)的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，具有基礎(chǔ)實(shí)用性、綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)[1]，要求學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、儀器選擇、實(shí)驗(yàn)操作、理論計(jì)算、數(shù)據(jù)處理及校準(zhǔn)曲線繪圖等一系列過(guò)程[2]，對(duì)于提高學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析物理問(wèn)題有一定的幫助，對(duì)提升學(xué)生的綜合運(yùn)用物理知識(shí)能力和創(chuàng)新能力有一定的促進(jìn)作用。此外，在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行電表的擴(kuò)程與校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可引導(dǎo)學(xué)生當(dāng)成電表制作，將物理綜合實(shí)驗(yàn)與實(shí)用技術(shù)聯(lián)系起來(lái)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提升教學(xué)效果。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

圖1 半偏法測(cè)電阻

圖2 替代法測(cè)電阻

對(duì)表頭而言，最重要的物理參數(shù)是內(nèi)阻Rg和滿偏電流Ig。測(cè)量?jī)?nèi)阻的方法很多，實(shí)驗(yàn)中常用的方法有兩種：半偏法和替代法。由于替代法具有更高的測(cè)量準(zhǔn)確度，故本實(shí)驗(yàn)用替代法測(cè)電流計(jì)的內(nèi)阻。

2.1 表頭的主要參數(shù)(量程和內(nèi)阻)的測(cè)定

（1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：

表1 表頭量程和內(nèi)阻

2.2 電流表和電壓表的改裝

（1）將電流計(jì)（表頭）擴(kuò)程成電流表

根據(jù)電阻并聯(lián)規(guī)律可知，進(jìn)行電流表的擴(kuò)程，需在表頭兩端加入并聯(lián)分流電阻，使被測(cè)電流大部分從分流電阻流過(guò)，表頭仍保持原來(lái)允許通過(guò)的最大電流Ig，原表頭和組成的整體為擴(kuò)程后的電流表。

本實(shí)驗(yàn)，我們將電流表從1mA擴(kuò)程為 10mA，根據(jù)IgRg=(I-Ig)RP可知，并聯(lián)分流電阻大?。篟P=IgRg/（I-Ig）=16.783Ω

（2）將電流計(jì)（表頭）擴(kuò)程成電壓表

根據(jù)電阻串聯(lián)規(guī)律特性可知，改裝成比原來(lái)量程大的電壓表，需在表頭兩端串聯(lián)阻值適當(dāng)?shù)姆謮弘娮鑂s，使超過(guò)表頭的電壓由電阻Rs分壓，原表頭和電阻Rs組成的整體即為擴(kuò)程后的電壓表。

本實(shí)驗(yàn)中，將電表擴(kuò)程為 5V 檔電壓，根據(jù)Ig(Rg+Rs)=V，可知Rs=V/Ig-Rg=4847.021Ω。

3 電表的標(biāo)稱誤差、準(zhǔn)確度等級(jí)及校準(zhǔn)

對(duì)已改裝的電表進(jìn)行精準(zhǔn)度等級(jí)確定，能增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的成就感，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。待校電表較標(biāo)準(zhǔn)電表測(cè)量而言，測(cè)量同一電路時(shí)會(huì)存在誤差，最大的絕對(duì)值誤差與量程之比即為標(biāo)稱誤差。標(biāo)稱誤差用來(lái)確定電表的準(zhǔn)確度等級(jí)。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表與待校表進(jìn)行比較，進(jìn)行電表的校準(zhǔn)，作出校準(zhǔn)曲線。對(duì)相鄰的校準(zhǔn)點(diǎn)之間，數(shù)據(jù)處理近似認(rèn)為滿足線性關(guān)系,因此校準(zhǔn)曲線用折線圖表示[3]。如電流表的校準(zhǔn)時(shí)，同時(shí)記下待校表和標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù),得到電表刻度的修正值ΔIx=Is-Ix，即可繪出校準(zhǔn)曲線ΔI x-Ix的折線圖。以后使用該電表時(shí),可以根據(jù)校準(zhǔn)曲線作為參考，對(duì)測(cè)量值做出相應(yīng)地修正,從校準(zhǔn)曲線上可找出對(duì)應(yīng)的實(shí)際值，從而增加測(cè)量的準(zhǔn)確度。

圖3 電流表的擴(kuò)程與校準(zhǔn)電路

圖4 電壓表的擴(kuò)程與校準(zhǔn)電路

（1）電流表的標(biāo)稱誤差、準(zhǔn)確度等級(jí)及校準(zhǔn)

a、10mA 電流表校正數(shù)據(jù)記錄

表2 10mA 電流表校正數(shù)據(jù)

b、擴(kuò)程后的電流表的標(biāo)稱誤差和準(zhǔn)確度等級(jí)

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，本實(shí)驗(yàn)改裝電流表的標(biāo)稱誤差=0.035/10×100%=0.35%，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5。

c、電流表的校準(zhǔn)曲線

利用編程繪圖：

ListLinePlot[{{10,0.035},{9.00,0.025},{8.00,0.035},{7.00,0.03},{6.00,0.02},{5.00,0.025},{4.00,0.01},{3.00,0.03},{2.00,0.02},{1.00,0.025},{0.00,0.00}},AxesLabel-＞{Ix,ΔIx}]

圖5 電流編程繪圖

利用Excel 利用數(shù)據(jù)描點(diǎn)畫(huà)圖功能：

圖6 電流Excel描點(diǎn)圖

（2）電壓表的標(biāo)稱誤差、準(zhǔn)確度等級(jí)及校準(zhǔn)

a、5V電壓表校正數(shù)據(jù)記錄

表3 5V電壓表校正數(shù)據(jù)

b、擴(kuò)程后的電壓表的標(biāo)稱誤差

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，本實(shí)驗(yàn)改裝電壓表的標(biāo)稱誤差=0.015/10×100%=0.15%,等級(jí)為0.2 級(jí)。

c、電壓校準(zhǔn)曲線

利用編程繪圖：

ListLinePlot[{{5.00,0.005},{4.00,0.00},{3.00,0.01},{2.00,0.00},{1.00,0.015},{0.00,0.00}},AxesLabel-＞{Ux,Δ Ux}]

圖7 電壓編程繪圖

利用Excel 利用數(shù)據(jù)描點(diǎn)畫(huà)圖功能：

圖8 電壓Excel 數(shù)據(jù)描點(diǎn)圖

4 總結(jié)

通過(guò)電表的擴(kuò)程與校準(zhǔn)綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生了解了電表的構(gòu)造原理及改裝電表等物理知識(shí)、掌握了改裝電表的擴(kuò)程與校準(zhǔn)學(xué)習(xí)方法，并且能通過(guò)簡(jiǎn)單的編程及利用數(shù)據(jù)描點(diǎn)畫(huà)圖兩種不同的方法描繪校準(zhǔn)曲線，進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)地分析，提升學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與信息程序的綜合應(yīng)用能力，將待校表與校準(zhǔn)曲線在實(shí)際測(cè)量中結(jié)合使用，達(dá)到精準(zhǔn)測(cè)量電壓和電流的目的，并有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提升教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生把物理綜合實(shí)驗(yàn)與實(shí)用技術(shù)聯(lián)系的能力。