核心素養(yǎng)視域下歐姆表的原理剖析及拓展應(yīng)用①

施銀輝

(福建省莆田第五中學(xué),福建 莆田 351100)

1 引言

歐姆表的基本構(gòu)造與工作原理,是魯科版高中物理必修第三冊(cè)第四章“閉合電路歐姆定律與科學(xué)用電”的重要內(nèi)容,[1]也是閉合電路歐姆定律相關(guān)知識(shí)的綜合應(yīng)用。通過閉合電路歐姆定律的理論推導(dǎo),讓學(xué)生掌握用電流表改裝成歐姆表的設(shè)計(jì)思想,體驗(yàn)歐姆表的制作過程,旨在進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)物理觀念的領(lǐng)悟能力,提升學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。[2]本文以歐姆表的構(gòu)造與原理為載體,挖掘物理本質(zhì),使學(xué)生突破物理解題思維的桎梏。

2 歐姆表的構(gòu)造與原理

2.1 并聯(lián)結(jié)構(gòu)歐姆表

圖1甲為并聯(lián)結(jié)構(gòu)歐姆表的原理圖,虛線框內(nèi)的部分為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路圖,并聯(lián)結(jié)構(gòu)歐姆表由電池、電流表和可調(diào)電阻組成。

圖1

若取Rg=100 Ω,當(dāng)R+r=0.1Rg時(shí)得到如圖2中a曲線,當(dāng)R+r=Rg時(shí)得到如圖2中b曲線,當(dāng)R+r=10Rg時(shí)得到如圖2中c曲線,而當(dāng)R+r大于100Rg時(shí)得到的圖像則趨近于圖2中d曲線。

由圖2可知每個(gè)電流值對(duì)應(yīng)一個(gè)電阻值,在電流表的表盤上將電流刻度 “改換”成電阻刻度,就將電流表改裝成了歐姆表。在電流刻度值為0的位置標(biāo)上0 Ω,而在電流刻度值為滿偏的位置標(biāo)為無窮大,并在其他位置標(biāo)上相應(yīng)的電阻刻度值。由圖2可知并聯(lián)結(jié)構(gòu)歐姆表表盤刻度右邊密左邊疏,零刻度在左邊。

并聯(lián)結(jié)構(gòu)的歐姆表在未接被測(cè)電阻或不使用時(shí),可將圖1中的開關(guān)斷開,即把開關(guān)打到OFF擋,或者把電池從歐姆表中取出。

2.2 串聯(lián)結(jié)構(gòu)歐姆表

如圖3甲所示是串聯(lián)結(jié)構(gòu)歐姆表的原理圖,此歐姆表是由電池、電流表和可調(diào)電阻組成的,虛線框內(nèi)的部分電路為歐姆表內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路圖。歐姆表內(nèi)阻R內(nèi)=Rg+r+R,其中r為電源內(nèi)阻,Rg為電流表內(nèi)阻,R為可調(diào)電阻。

甲

乙

圖4

可見每個(gè)阻值對(duì)應(yīng)一個(gè)電流值,在電流表的表盤上將電流刻度 “改換”成電阻刻度,這就將電流表改裝成了歐姆表。由圖4可知,串聯(lián)結(jié)構(gòu)歐姆表表盤刻度左邊密右邊疏,零刻度在右邊。[4]

歐姆表內(nèi)電阻值不同,同一偏轉(zhuǎn)角度所對(duì)應(yīng)的阻值就不同。[5]可見,歐姆表擋位是由其內(nèi)電阻值決定的。所以要改變歐姆表的擋位,只需改變歐姆表內(nèi)阻即可。若歐姆表的內(nèi)阻變?yōu)樵瓉淼?0倍,則指針?biāo)傅目潭戎狄簿妥優(yōu)榱嗽瓉淼?0倍,即表盤上所有的讀數(shù)都變?yōu)樵瓉淼?0倍,這樣就實(shí)現(xiàn)了擋位的轉(zhuǎn)換。

圖5

3 拓展應(yīng)用

例：某興趣小組利用電池、毫安表(內(nèi)阻Rg為90 Ω)和滑動(dòng)變阻器改裝成了一個(gè)“×10”倍率的歐姆表,其原理如圖3甲所示,表盤上電阻刻度值未標(biāo)出。將兩表筆短接,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使毫安表指針滿偏后,進(jìn)行了如下操作:

(1) 將阻值為200 Ω的電阻接在兩表筆之間,毫安表示數(shù)為7.5 mA;再將阻值為400 Ω的電阻接在兩表筆之間,毫安表示數(shù)為5.0 mA。計(jì)算得電池的電動(dòng)勢(shì)E=,改裝后的歐姆表內(nèi)阻R內(nèi)=,毫安表的滿偏電流Ig=。

(2) 在電流刻度值為滿偏的位置標(biāo)上0 Ω,在電流刻度值為2.5 mA的位置標(biāo)上Ω,并在其他位置標(biāo)上相應(yīng)的電阻刻度值。

(3) 若將該歐姆表改裝成“×1”的倍率,則需要將毫安表(填“串聯(lián)”或“并聯(lián)”)一個(gè)阻值為Ω的定值電阻,再進(jìn)行歐姆表調(diào)零。

(4) 該歐姆表用久后,電池老化導(dǎo)致電動(dòng)勢(shì)變小,內(nèi)阻變大,但仍可以進(jìn)行歐姆表調(diào)零,測(cè)得的阻值(填“大于”“等于”或“小于”)真實(shí)值。

(5) 為了減小因電池老化而產(chǎn)生的誤差,該小組用一電壓表對(duì)原電阻刻度值進(jìn)行修正。將歐姆表的兩表筆短接,調(diào)節(jié)R,使指針滿偏;再將電壓表接在兩表筆之間,此時(shí)電壓表示數(shù)為1.74 V,歐姆表示數(shù)為300 Ω,則電壓表的內(nèi)阻為Ω,原電阻刻度值1 200 Ω應(yīng)修改為Ω。

點(diǎn)評(píng)：求解本題的關(guān)鍵是要知道歐姆表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和歐姆表的總內(nèi)阻等于表盤的中值電阻。通過實(shí)例分析,使學(xué)生明白貫穿歐姆表問題解決的主線是電流。抓住電流這個(gè)關(guān)鍵要素,去分析歐姆表換擋和校準(zhǔn)問題,讓學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中加深對(duì)閉合電路歐姆定律的理解。

4 結(jié)語

本文介紹了并聯(lián)結(jié)構(gòu)歐姆表和串聯(lián)結(jié)構(gòu)歐姆表,并詳細(xì)分析了實(shí)際應(yīng)用中較常見的串聯(lián)結(jié)構(gòu)歐姆表的原理。在歐姆表設(shè)計(jì)中探討表盤刻度的問題,讓學(xué)生體驗(yàn)了轉(zhuǎn)換研究對(duì)象的思維方法;在分析歐姆表校準(zhǔn)過程中使學(xué)生習(xí)得以“不變”應(yīng)“萬變”的思維方法,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。結(jié)合例題的分析讓學(xué)生從物理原理入手,弄清與歐姆表相關(guān)問題的來龍去脈,抓住其物理本質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力,提升他們的核心素養(yǎng)。