高中物理 第3章 从电表电路到集成电路 3.1 学习使用多用电表 沪科版选修3-1

3.1 《学会使用多用电表》知识梳理一、实验目的1.了解多用电表的构造和原理;2.使用多用电表测电阻;3.探测黑箱内的电学元件.二、实验原理1.多用电表的构造及功能多用电表可以用来测电流、电压和电阻，又称万用电表，其表面结构如图7-3-55所示.图7-3-55其表面分为上、下两部分，上半部分为表盘，共有三条刻度线，最上面的刻度线的左端标有“∞”，右端标有“0”，是用于测电阻的，中间的刻度线是用于测直流电流和直流电压的，其刻度是分布均匀的，最下面一条刻度线左侧标有“V”是用于测交流电压的，其刻度是不均匀的.多用电表表面的下半部分为选择开关，周围标有测量功能的区域和量程.将多用电表的选择开关旋转到电流挡，多用电表就测量电流;当选择开关旋转到其他功能区域时，就可测量电压或电阻.多用电表表面还有一对正、负插孔.红表笔插“＋”插孔，黑表笔插“-”插孔，插孔上面的旋钮叫调零旋钮，用它可进行电阻调零.另外，在表盘和选择开关之间还有一个机械调零旋钮，用它可以进行机械调零，即旋转该调零螺丝，可使指针（在不接入电路中时）指在左端“0”刻线.2.多用电表是电流表、电压表和欧姆表的组合，测电流和电压的原理与电流表和电压表相同（1）直流电流挡:直流电流挡的几个挡位实际是由同一表头并联不同电阻改装而成的几个量程不同的电流表.（2）直流电压挡:直流电压挡的几个挡位实际是由同一表头串联不同电阻改装而成的几个量程不同的电压表.（3）测电阻的原理如图7-3-56所示.图7-3-56欧姆表是根据闭合电路欧姆定律制成的测量电阻的仪表，可直接读出电阻值，比用伏安法测电阻方便.调零时rR R EI g g ++=测量时xg R r R R EI +++=只要将对应R x 值的电流刻度I 改为阻值R x 即为欧姆表. 由于I 与R 成非线性关系，表盘上电流刻度是均匀的，其对应的电阻刻度却是不均匀的，电阻的零刻度在电流满偏处.3.二极管的单向导电性二极管是用半导体材料制成的电子元件，它有两个引线，一根叫正极，另一根叫负极，二极管的表示符号是，当二极管的正极接高电势点、负极接低电势点，即加正向电压时，二极管电阻很小（与加反向电压比较），处于导通状态，相当于一个接通的开关;当给二极管加反向电压时，二极管的电阻无穷大，相当于一个断开的开关，这种特性叫二极管的单向导电性，已被广泛应用三、实验器材多用电表一只，干电池一节，电阻箱一个，定值电阻三个，黑箱一个，导线若干四、实验步骤1.用多用电表测电阻的步骤（1）调整定位螺丝，使指针指向电流的零刻度.（2）选择开关置于“Ω”挡的R ×1挡，短接红、黑表笔，调节欧姆调零旋钮，然后断开表笔，再使指针指到“0”欧姆位置.（3）将两表笔分别接触阻值为几十欧的定值电阻两端，读出指示的电阻值，然后断开表笔，再与标定值进行比较.（4）选择开关改置R ×100挡，重新进行欧姆调零.（5）再将两表笔分别接触标定值为几十千欧的电阻两端，读出指示的电阻值，然后断开表笔，与标定值进行比较.（6）测量完毕，将选择开关置于交流电压最高挡或OFF 挡 2.研究二极管的单向导电性（1）将二极管、小电珠、电键、直流电源按如图7-3-57甲所示电路连接起来，闭合电键S 后，小电珠正常发光.图7-3-57（2）将二极管、电键、小电珠等按如图7-3-57乙所示连接起来，闭合电键S 后，小电珠不发光.3.探测黑箱内电路，如图7-3-58所示.图7-3-58（1）操作程序作出初步判断后，再根据各接点间的测量值进行逻辑推理，判断黑箱内有哪些电学元件（电阻、电源、二极管等），最终确定元件的位置和连接方法.（2）操作步骤①机械调零:熟悉多用电表的表面结构，观察使用前指针是否指在刻度线左端0位置，若不指0，调整调零螺丝，使指针指0.②将多用电表选择开关旋转到直流电压挡，并置于500 V量程，用多用电表测量黑箱任意两个接线柱间的电压，若均无示数，说明箱内不含电源.③先选定欧姆挡的某一较小的挡，两表笔短接，进行调零.然后，用欧姆挡测A、B间正反向电阻.若两次所测阻值相等，则表明A、B间只含有电阻.若一次测量电阻值较小，另一次较大，说明A、B间有二极管，且测量阻值较小时，与黑表笔接触的那一端为二极管的正极.④用欧姆挡测B、C间正反接电阻.若两次所测阻值相等，则表明B、C间只含有电阻.若一次测量电阻值较小，另一次较大，说明B、C间有二极管，且测量阻值较小时，与黑表笔接触的那一端为二极管的正极.⑤根据前面所测结果，画出黑箱内电路.⑥使用完毕，将表笔从插孔中拔出，并将选择开关置于“OFF”挡或交流电压最高挡.五、使用欧姆挡进行测电阻时的注意事项1.为了提高测量的精度，在选择量程范围时，应尽可能使表针指示在满刻度的20%～80%弧长范围内，表针愈靠近刻度线的中点（即满刻度的1/2），测量的准确度愈高.例如，测量1 kΩ左右的电阻，应选择×100挡（这时表针指示在刻度线的中间位置，而不应选择×10或×1k挡（这时表针的指示远离中间位置）.2.每次变换电阻的挡位以后，都要重调欧姆零点，否则测量结果不准确.如果旋动“调零旋钮”已无法使表针到达“0”位，则说明表内电池电压不足，应打开电表背面的电池盒盖板，换上同规格的新电池（注意电池的极性）.3.测量电路中的电阻时，应先切断电源.如果待测电阻有并联支路存在，必须将待测电阻的一端脱开，然后再对它测量，否则电表的读数不是待测电阻的阻值，而是各支路电阻并联后的总阻值.如果电路中有大电容器存在，必须先将电容器放电完毕以后，才能进行测量.4.检查晶体管时，必须使用“×100”或“×1k”挡.不能使用“×1”或“×10 k”挡，因前者电流太大（100 mA左右），后者电压太高（9 V），都可能损坏晶体管.5.使用欧姆挡检查整流元件（晶体二极管）的正负极性时，必须注意到:万用电表内电池的“＋”极是与黑表笔（即表面的“-”插孔）相连的.因此电流是从黑表笔流出，经外接元件后再回到红表笔去.如果忽视这一点，就会引起判断上的错误.6.使用欧姆挡的间歇中，不要让两表笔短路，以免损耗电池.表针长时间偏转，对电表的保养也不利.7.测电阻时，待测电阻要与电源以及其他电阻断开，且不能用手接触表笔.8.用多用电表测黑箱时，一定要先用电压挡判断其内部有无电源，确认无电源后才能使用欧姆挡测量.9.使用完毕，将表笔从插孔中拔出，并将选择开关置于“OFF”挡或交流电压最高挡 六、误差分析测量值偏大其主要原因可能是表笔与电阻两端接触欠紧而引入接触电阻，或者在连续测量过程中，表笔接触时间过长，引起电表内电池电动势下降，内阻增加.如果是高值电阻的测量值，则可能是人体电阻并入造成.欧姆表的刻度是按标准电池标出，当电池用旧了，电动势和内阻均发生变化，由此引起测量误差.交流与思考:使用欧姆挡，在选取量程时，为什么使指针指在中值电阻附近可提高测量准确度？提示:若指针偏转角度太大，由于读数太小而造成偶然误差增大;若指针偏转角度太小，由于刻度线太密集而使读数不准确，甚至无法读数.所以，只有指针指在中值电阻附近时才比较准确. 重难探究考点 欧姆表（挡）原理（1）原理图:（如图7-3-59所示）图7-3-G 是电流表，内阻为R g ，满偏电流为I g .电池的电动势为E ，内阻为r .电阻R 为可变电阻，也叫调零电阻. （2）欧姆表原理:xg R r R R EI +++=，即I 与R x 一一对应.（3）特点: A.R x ＝0，此时rR R EI g g ++=，指针偏转最大.B.红、黑表笔不接触，I ＝0，指针不偏转，刻度值为∞.C.测电阻R x 时，xg R r R R EI +++=.由于I 和R x 之间不成正比，所以欧姆表刻度是不均匀的.D.测量时被测电阻要与原电路断开.交流与思考:欧姆表的中值电阻与内阻有何关系？由此解释为何每次欧姆表换挡都要调零. 提示:由中内内R R EI R E I g g +==2,，解得R 内=R 中，即中值电阻等于欧姆表的内阻. 若换用不同的挡时，其中值电阻都是不同的，欧姆表对应的内阻也不相同.因此，在不同的挡位时，只有重新调零才能使指针指在满偏位置.【探究】 如图7-3-60所示为欧姆表的原理示意图，其中电流表的满偏电流为300 μA ，内阻R g ＝100 Ω，调零电阻最大阻值R ＝50 k Ω，串联的固定电阻R 0＝50 Ω，电池电动势E ＝1.5 V ，用它测量电阻R x 能准确测量的阻值范围是_________________.图7-3-A.30 k Ω～80 k ΩB.3 k Ω～8 k ΩC.300 k Ω～800 k ΩD.3 000 k Ω～8 000 k Ω解析:当红、黑表笔短接时，根据0R R R r E I g +++=得Ω==+++k 50IER R R r g当指针指在中间时，被测电阻为R x ，则R x =R +R g +R +R 0=5 k Ω使用欧姆挡读数时，指针偏转范围为中中R R 5~5中，即1 k Ω～25 k Ω，所以，选项B 正确. 答案:B 典例精析1.多用电表的应用【例1】 一学生用多用电表测电阻，他在实验中有违反使用规则之处.他的主要实验步骤如下:（1）选择开关扳到欧姆挡“×1 k”上（2）把表笔插入测试笔插孔中，先把两根表笔相接触，旋转调零旋钮，使指针指在电阻刻度的零位上;（3）把两根表笔分别与某一待测电阻的两端相接，发现这时指针几乎满偏; （4）换用“×100”的欧姆挡，发现这时指针的偏转适中，随即记下欧姆数值; （5）把表笔从测试笔插孔中拔出后，就把多用表放回桌上原处，实验完毕. 这个学生在测量时已注意到:待测电阻与其他元件和电源断开，不用手碰表笔的金属杆.这个学生在实验中违反了哪一条或哪一些重要的使用规则？答:____________________________________________________________. 解析:使用欧姆表要注意的地方比较多.使用前要经过调整（机械调零，选择量程后要电阻调零），使用后要复位（拔出表笔，选择开关应置于“OFF”挡或交流高压挡），使用过程中换挡后要重新调零……这些往往都是考查的重点.答案:该题中不符合操作规则的是:换到合适的量程后，要重新调整调零旋钮;使用后不能把选择开关置于欧姆挡.点评:注重多用电表测电阻的原理、实际操作和探索意识，是提高学生实验能力、适应高考要求的有效学习策略. 巩固与拓展多用电表表头的示意图如图7-3-61所示.图7-3-61在正确操作的情况下:（1）若选择开关的位置如灰箭头所示，则测量的物理量是________，测量结果为________. （2）若选择开关的位置如白箭头所示，则测量的物理量是________，测量结果为________. （3）若选择开关的位置如黑箭头所示，则测量的物理量是________，测量结果为________. （4）若选择开关的位置如黑箭头所示，正确操作后发现指针的偏转角很小，那么接下来的正确操作步骤应该依次为:________________________________;________________________________;________________________________.（5）全部测量结束后，应将选择开关拨到________或者________.（6）无论用多用电表进行何种测量（限于直流），电流都应该从________色表笔经________插孔流入电表.答案:（1）直流电压 1.20 V（2）直流电流47 mA（3）电阻17 kΩ（4）换用×1 kΩ倍率，重新调零将红黑表笔分别接触被测电阻的两根引线，读出指针所指刻度再乘以倍率得测量值（5）OFF 交流电压500 V挡位置（6）红正2.使用多用电表探索黑箱内的电学元件【例2】如图7-3-62所示，已知黑箱外有A、B、C三只接线柱，黑箱内有一只定值电阻和一个二极管，它们的两端都直接接在接线柱上.用多用电表依次测三只接线柱间的阻值，结果如下表所示.请判定黑箱内的结构.思路点拨:电阻的正反向电阻相同，二极管的正反向电阻不同，且差距很大.欧姆表的黑表笔接内部电源的正极，红表笔接内部电源的负极.解析:定值电阻阻值与电流方向无关.二极管有单向导电性，其电阻与电流方向有关:其正向电阻较小，反向电阻很大.电流方向总是从红表笔流入多用电表，因此一定是从黑表笔流入被测电路的.A、B间电阻与电流方向无关，因此一定是定值电阻;B、C间电阻与电流方向有关，且阻值较小，说明二极管一定直接接在B、C间且C为正极.答案:黑箱内结构如图7-3-63所示.图7-3-63点评:电学黑箱是指内部要素和结构尚不清楚的系统，其研究方法是用多用电表进行探索和推理，从而发现内部电学元件的连接关系.这类问题解题方法是:（1）根据黑箱的输入、输出信息，用多用电表进行探测和推理;（2）猜想黑箱内与题给条件相容的结构模型;（3）分析、验证是否满足题目有关条件，同时注意是否有多解.。

3.4 多用电表电路分析与设计1．多用电表测电压电路多用电表表头是一个小量程电流表，一般微安电流表的内阻R g 为几百欧姆到几千欧姆，它的满偏电流I g (指针偏转到最大刻度时的电流)为几微安到几十微安。

由欧姆定律可知，它能承受的最大电压U g 仅为几毫伏到几十毫伏。

当把电流表改装为量程为U 的电压表时，应当串联一个电阻R ，该电阻起分压作用，因此叫分压电阻，U ＝U g ＋U R ，即 U ＝I g (R g ＋R )。

预习交流1两只完全相同的灵敏电流计改装成量程不同的电压表V 1、V 2，如将两表串联起来后去测某一线路的电压，则两只表( )。

A ．读数相同B ．指针偏转的角度相同C ．量程大的电压表读数大D ．量程大的电压表读数小 答案：BC2．多用电表测电流电路当把电流表改装成量程为I 的电流表时，应当并联一个电阻，该电阻起分流作用，因此叫分流电阻，I ＝I g ＋I R ，即gg g IR I IR=+。

预习交流2表头改装成量程为I 的电流表后，指针满偏时流过表头的电流是否仍是I g ？用此电流表测量某电流时，若指针在满刻度的一半处，则读数是否为I g /2?答案：表头改装成电流表后，指针满偏时流过表头的电流仍是I g 。

将此改装表测量的电流读数应为I /2而非I g /2，因为此电流应是表头和并联电阻的总电流。

一、将表头改装成电压表(1)利用表头能够测量的最大电流和最大电压分别是多大？ (2)如何将表头改装成电压表？答案：(1)利用表头能够测量的最大电流是I g ，最大电压是U g ＝I g R g 。

(2)将表头改装成电压表①原理：表头G 的额定电压U g 较小，如果用于测电压，其量程太小，要想量度较大的电压，可以给电流表串联一个电阻R ，分担一部分电压，R 称为分压电阻，如图所示。

②分压电阻的计算 由串联电路的特点得：g ggU UR R R =+，解得：R ＝(1)g g U R U -。

3.1 学习使用多用电表1．认识多用电表多用电表由一个小量程的电流表(俗称表头)和电路元件组成。

其面板的上半部为表盘，分别标有电压、电流和电阻的刻度线，用于读取有关电学量的测量值。

面板中央的定位螺丝为机械调零旋钮，用于调节指针的“0”位。

面板下半部中间的旋钮是功能选择开关，周围标有各种测量功能及量程。

其中“V ”表示直流电压挡，“V ”表示交流电压挡，“mA”表示直流电流挡，“Ω”表示电阻挡。

面板右边有一个电阻挡的调零旋钮。

面板的下方有两个标有“＋”“－”号的插孔，用于插红、黑测试表笔。

预习交流1如图所示，A 、B 是多用电表在进行不同测量时转换开关分别指示的位置，C 是多用表指针在测量时的偏转位置。

由此可知A 图是________挡，若用此挡测量，指针位置如图C ，则读数是________；B 图是________挡，若用此挡测量，指针位置如图C ，则读数是________。

答案：A图中选择开关指到×1 kΩ挡，故读数为15×1 kΩ＝15 kΩ；B图中选择开关指到直流电流挡，量程是10 mA，而指针正指向表盘中央刻度线，故读数为5.0 mA。

2．练习使用多用电表使用多用电表前，应检查指针是否停在刻度线左端的“0”位置。

如果没有停在“0”位置，要用螺丝刀轻轻转动机械调零旋钮，使指针指零。

再将红、黑测试表笔分别插入“＋”“－”插孔。

(1)电压、电流、电阻的测量利用多用电表测量电压、电流和电阻时，要根据所需测量的电学量，将功能选择开关旋转到相应的测量挡位和量程上。

测量结束后，要将功能选择开关旋转到交流电压挡的最大量程处或“OFF”处，以保护多用电表。

(2)用多电表判断晶体二极管的极性目前广泛使用的二极管是晶体二极管，它是用半导体材料制成的电子元件。

二极管有两根引线，一根叫正极，一根叫负极。

二极管具有单向导电性。

当给二极管加上一定的正向电压时，它的电阻值很小；当给二极管加上反向电压时，它的电阻值变得很大。