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2022届高考物理一轮复习 第九章 电路 实验14 用多用电表测量电学中的物理量学案 新人教版

2022届高考物理一轮复习 第九章 电路 实验14 用多用电表测量电学中的物理量学案 新人教版

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实验14　用多用电表测量电学中的物理量
必备知识预案自诊　
一、电流表与电压表的改装
1.改装方案

改装为电压表
改装为大量程的电流表
原理
串联电阻分压
并联电阻分流
改装原理图

分压电阻或
分流电阻
U=Ig(Rg+R)
故R=UIg-Rg
IgRg=(I-Ig)R
故R=IgRgI-Ig
改装后
电表内阻
RV=Rg+R>Rg
RA=RRgR+Rg<Rg

2.校正
(1)电压表的校正电路如图甲所示,电流表的校正电路如图乙所示。

(2)校正的过程是:先将滑动变阻器的滑动触头移动到最左端,然后闭合开关,移动滑动触头,使改装后的电压表(电流表)示数从零逐渐增大到最大量程值,每移动一次记下改装的电压表(电流表)和标准电压表(电流表)示数,并计算满刻度时的百分误差,然后加以校正。
二、欧姆表原理
1.构造:欧姆表由电流表G、电池、调零电阻R和红、黑表笔组成。

欧姆表内部:电流表、电池、调零电阻串联。
外部:接被测电阻Rx。
2.工作原理:闭合电路欧姆定律,I=ERg+R+r+Rx。
3.刻度的标定:红、黑表笔短接(被测电阻Rx=0)时,调节调零电阻R,使I=Ig,电流表的指针达到满偏,这一过程叫欧姆调零。
(1)当I=Ig时,Rx=0,在满偏电流Ig处标为“0”。(图甲)
(2)当I=0时,Rx→∞,在I=0处标为“∞”。(图乙)
(3)当I=Ig2时,Rx=Rg+R+r,此电阻值等于欧姆表的内阻值,Rx叫中值电阻。
三、多用电表
1.多用电表可以用来测量电流、电压、电阻等,并且每一种测量都有几个量程。
2.外形如图所示:上半部为表盘,表盘上有电流、电压、电阻等多种量程的刻度;下半部为选择开关,它的四周刻有各种测量项目和量程。
3.多用电表面板上还有:欧姆表的欧姆调零旋钮(使电表指针指在右端零欧姆处)、指针定位螺丝(使电表指针指在左端的“0”位置)、表笔的正、负插孔(红表笔插入“+”插孔,黑表笔插入“-”插孔)。

4.原理图:

四、多用电表使用
(一)实验器材
多用电表、电学黑箱、直流电源、开关、导线若干、小电珠、二极管、定值电阻(大、中、小)三个。
(二)进行实验
1.机械调零:多用电表的指针若不指零,则可用小螺丝刀进行机械调零。
2.将红、黑表笔分别插入“+”“-”插孔。
3.测量小电珠的电压和电流。
(1)按如图甲所示连好电路,将多用电表选择开关置于直流电压挡,测小电珠两端的电压。
(2)按如图乙所示连好电路,将选择开关置于直流电流挡,测量通过小电珠的电流。

4.用多用电表测电阻
(1)调整定位螺丝,使指针指向电流的零刻度,插入表笔。
(2)选择开关置于“Ω”挡的×1挡,短接红、黑表笔,调节欧姆调零旋钮,使指针指到“0”欧姆位置,然后断开表笔。
(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)选择开关改置于×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,将表笔从插孔中拔出,并将选择开关置于交流电压最高挡或“OFF”挡。
5.研究二极管的单向导电性,利用多用电表的欧姆挡测二极管两个引线间的电阻,确定正负极。
6.探索黑箱内的电学元件。

判断目的
应用挡位
现　象
电源
电压挡
两接线柱正、反接时均无示数,说明无电源
电阻
欧姆挡
两接线柱正、反接时示数相同
二极管
欧姆挡
正接时示数很小,反接时示数很大
电容器
欧姆挡
指针先指“0”后逐渐增大到“∞”,且越来越慢
电感线圈
欧姆挡
示数由“∞”逐渐减小到某一较小固定示数

(三)注意事项
1.红表笔插入“+”孔,黑表笔插入“-”孔。
2.区分“两个零点”:机械零点是表盘刻度左侧的“0”位置,调整的是表盘下边中间的定位螺丝;欧姆零点是指刻度盘右侧的“0”位置,调整的是欧姆挡的调零旋钮。
3.测电阻时:
(1)待测电阻与电源一定要断开。
(2)两手一定不要同时接触两表笔金属杆。
(3)指针指中值附近较准,否则换挡。
(4)每换一挡必须重新欧姆调零。
(5)读出示数要乘以倍率。
4.使用完毕,选择开关要置于“OFF”挡或交流电压最高挡,长期不用应取出电池。

关键能力学案突破　
考点一　教材原型实验
【典例1】(2019全国卷Ⅰ)某同学要将一量程为250 μA的微安表改装为量程为20 mA的电流表。该同学测得微安表内阻为1 200 Ω,经计算后将一阻值为R的电阻与该微安表连接,进行改装。然后利用一标准毫安表,根据图(a)所示电路对改装后的电表进行检测(虚线框内是改装后的电表)。

图(a)

图(b)
(1)根据图(a)和题给条件,将图(b)中的实物连线。
(2)当标准毫安表的示数为16.0 mA时,微安表的指针位置如图(c)所示。由此可以推测出所改装的电表量程不是预期值,而是　　　　　。(填正确答案标号) 

图(c)

A.18 mA B.21 mA C.25 mA D.28 mA
(3)产生上述问题的原因可能是　　　　　。(填正确答案标号) 
A.微安表内阻测量错误,实际内阻大于1 200 Ω
B.微安表内阻测量错误,实际内阻小于1 200 Ω
C.R值计算错误,接入的电阻偏小
D.R值计算错误,接入的电阻偏大
(4)要达到预期目的,无论测得的内阻值是否正确,都不必重新测量,只需要将阻值为R的电阻换为一个阻值为kR的电阻即可,其中k=　　　　　。 
【典例2】(2020辽宁六校联考)图甲为某同学组装完成的简易多用电表的电路图。图中E是电池,R1、R2、R3、R4和R5是固定电阻,R6是可变电阻,表头G的满偏电流为250 μA,内阻为480 Ω。虚线方框内为换挡开关,A端和B端分别与两表笔相连。该多用电表有5个挡位,5个挡位为:直流电压1 V挡和5 V挡,直流电流1 mA挡和2.5 mA挡,欧姆×100 Ω挡。

(1)关于R6的使用,下列说法正确的是　　　　　。 
A.在使用多用电表之前,调整R6使电表指针指在表盘左端电流“0”位置
B.使用欧姆挡时,先将两表笔短接,调整R6使电表指针指在表盘右端电阻“0”位置
C.使用电流挡时,调整R6使电表指针尽可能指在表盘右端电流最大位置
(2)某次测量时该多用电表指针位置如图乙所示。若此时B端是与3相连的,则读数为　　　　　 kΩ。 
(3)根据题给条件可得R1+R2=　　　　　Ω,R4=　　　　　Ω。 
考点二　实验的改进与创新

实验情境
的创新
多用电表可以应用到日常生活中,对家用电器、电子元件进行测量或故障检测,被测元件可以是一般电阻,也可以是二极管、黑箱等
实验数据
的分析
换用不同挡位,所测的量不同,读数方法不同,精确度要求也不同。一般情况下,用多用电表测出的值只能作为参考
实验原理
的拓展
多用电表可以和很多电学实验配合使用,先粗略测出电阻值,作为设计电路、选择器材的参考

【典例3】在练习使用多用电表的实验中:
(1)用多用电表的欧姆挡测量阻值Rx约为数十千欧的电阻。以下是测量过程中的一些主要实验步骤:
A.将两表笔短接,调节欧姆调零旋钮,使指针对准刻度盘上电阻的零刻度,然后断开两表笔
B.旋转选择开关至交流电压最大量程处或“OFF”挡,并拔出两表笔
C.旋转选择开关至欧姆“×1 k”挡
D.将两表笔分别连接到被测电阻的两端,读出阻值Rx,断开两表笔
以上实验步骤的正确顺序是　　　　　(填写步骤前的字母)。 
实验中,多用电表的指针位置如图甲所示,则此被测电阻的阻值约为　　　　　 kΩ。 

(2)为了较精确地测量另一定值电阻的阻值Ry,采用图乙所示的电路,电源电压U恒定,电阻箱接入电路的阻值可调且能直接读出。
①用多用电表测电路中的电流,则与a点相连的是多用电表的　　　　　(选填“红”或“黑”)表笔。 

②闭合开关,多次改变电阻箱阻值R,记录相应的R和多用电表读数I,得到R-1I的关系如图丙所示,则Ry=　　　　　Ω,电源电压U=　　　　　 V。 
思维点拨本题实验目的是用多用电表测电阻,并根据所得数据求出电源电压。根据欧姆定律I=UR+Ry,可以推出R=U·1I-Ry,因此可以画出R-1I图像。研究函数式和图像的关系,由图像纵截距的绝对值可得到Ry的值,由图像的斜率可得到电源电压的值。
【典例4】如图甲所示的黑箱中有三只完全相同的电学元件,小明使用多用电表对其进行探测。

(1)在使用多用电表前,发现指针不在左边“0”刻度线处,应先调整图乙中多用电表的　　　(选填“A”“B”或“C”)。 
(2)在用多用电表的直流电压挡探测黑箱a、b接点间是否存在电源时,一表笔接a,另一表笔应　　　　(选填“短暂”或“持续”)接b,同时观察指针偏转情况。 
(3)在判定黑箱中无电源后,将选择开关旋至“×1”挡,调节好多用电表,测量各接点间的阻值。测量中发现,每对接点间正反向阻值均相等,测量记录如下表。

两表笔接的接点
多用电表的示数
a,b
　　　Ω 
a,c
10 Ω
b,c
15 Ω

两表笔分别接a、b时,多用电表的示数如图乙所示。
请将记录表补充完整,并在黑箱图中画出一种可能的电路。

　　判断黑箱内元件的基本思路

1.首先用多用电表电压挡探测黑箱是否有电源。
2.如果有电源,则用多用电表的电压挡探测黑箱外任意两接点间电压,根据电压关系判定黑箱内电源的位置及各接点间电阻关系,从而分析出黑箱内各元件的连接情况。
3.如果没有电源,则直接用多用电表的欧姆挡测量任意两点间的电阻值,根据所测量的电阻值,分析任意两点间各是什么元件及其连接情况。

对应演练迁移应用　
1.

(2020四川成都摸底)欧姆表的原理如图。其中,电池的电动势为E、内阻为r,表头G的满偏电流为Ig、内阻为Rg。
(1)图中的A端应与　　　　　(选填“红”或“黑”)色表笔相连接。 
(2)测量电阻前,将红、黑色表笔短接,调节可变电阻使通过表头G的电流达到Ig,此时可变电阻接入电路的阻值R0=　　　　　。 
(3)测量电阻时,若表头G的示数为I,则被测电阻的阻值Rx=　　　　　。[(2)、(3)结果用E、r、Ig、Rg、I表示] 
2.(2020湖北武汉高三下学期模拟)如图甲所示是一多用电表的简化电路图。其表头满偏电流Ig=500 μA、内阻Rg=50 Ω。该多用电表有两个电流挡,量程分别为0~10 mA和0~1 mA。已知R2=45 Ω,R3=2 475 Ω:

甲

乙
(1)转换开关S接入　　　　　(选填“1”“2”“3”“4”“5”或“6”)端时,为较小量程的电流挡,正确测量时电流应从A表笔流　　　　　(选填“出”或“入”)多用电表; 
(2)当转换开关S接入3端时,多用电表可以用来测电阻。测量之前,先进行欧姆调零,使指针偏转到刻度盘最　　　　　(选填“左”或“右”)侧。某次测量电阻时使用的倍率为“×1”,指针如图乙,则待测电阻的阻值为　　　　　Ω; 
(3)当转换开关S接入5端时,多用电表的功能是测　　　　　(选填“电流”“电压”或“电阻”),其量程为　　　　　。 
3.(2019全国卷Ⅲ)某同学欲将内阻为98.5 Ω、量程为100 μA的电流表改装成欧姆表并进行刻度和校准,要求改装后欧姆表的15 kΩ刻度正好对应电流表表盘的50 μA刻度。可选用的器材还有:定值电阻R0(阻值14 kΩ),滑动变阻器R1(最大阻值1 500 Ω),滑动变阻器R2(最大阻值500 Ω),电阻箱(0~99 999.9 Ω),干电池(E=1.5 V,r=1.5 Ω),红、黑表笔和导线若干。

图(a)

(1)欧姆表设计
将图(a)中的实物连线组成欧姆表。欧姆表改装好后,滑动变阻器R接入电路的电阻应为　　　　　Ω;滑动变阻器选　　　　　(选填“R1”或“R2”)。 

(2)刻度欧姆表表盘
通过计算,对整个表盘进行电阻刻度,如图(b)所示。表盘上a、b处的电流刻度分别为25和75,则a、b处的电阻刻度分别为　　　　　、　　　　　。 
图(b)
(3)校准
红、黑表笔短接,调节滑动变阻器,使欧姆表指针指向　　　　　kΩ处;将红、黑表笔与电阻箱连接,记录多组电阻箱接入电路的电阻值及欧姆表上对应的测量值,完成校准数据测量。若校准某刻度时,电阻箱旋钮位置如图(c)所示,则电阻箱接入的阻值为　　　Ω。 
图(c)
4.(2020湖南永州高三下学期三模)某同学欲将内阻为100 Ω、量程为300 μA的电流计G改装成欧姆表。可选用的器材还有:定值电阻R1(阻值25 Ω);定值电阻R2(阻值100 Ω);滑动变阻器R(最大阻值1 500 Ω);干电池E(E=1.5 V、内阻忽略不计);红、黑表笔和导线若干。改装电路如图甲所示。

(1)定值电阻应选择　　　　　(选填“R1”或“R2”); 
(2)该同学用改装后尚未标示对应刻度的欧姆表测量一内阻和量程均未知的电压表V的内阻。步骤如下:先将欧姆表的红、黑表笔短接,调节R,使电流计G指针指到　　　　　μA;再将黑表笔与电压表V的“+”接线柱相连,红表笔与电压表V的“-”接线柱相连,若两表的指针位置分别如图乙和图丙所示。则电压表V的内阻为　　　　　Ω,量程为　　　　　 V。 

实验14　用多用电表测量
电学中的物理量
关键能力·学案突破
典例1答案(1)连线如图所示

(2)C　(3)AC　(4)9979
解析(1)量程为250μA的微安表改装成量程为20mA电流表时应将电阻与微安表并联。根据电路图,从电源正极出发,电表正极对应电源正极,依次连接,注意连线不要交叉。
(2)通过电流表的电流与偏角成正比,表盘160μA对应16mA,则表盘250μA对应25mA。
(3)根据IgRg=(I-Ig)R得I=1+RgRIg,改装后的量程偏大的原因可能是原微安表内阻测量值偏小,其实际内阻Rg大于1200Ω;或者因为定值电阻的阻值R计算有误,计算值偏大,实际接入定值电阻阻值偏小。故选AC。
(4)并联电路电压相等,IgRg=(I-Ig)R,即160μA·Rg=(16mA-160μA)R;200μA·Rg=(16mA-200μA)kR,得k=9979。
典例2答案(1)B　(2)1.1　(3)160　880
解析(1)由题中电路图可知,R6只在测量电阻时才接入电路,故其作用为欧姆调零,而不是机械调零,同时在使用电流挡时也不需要进行调节,故B项与题意相符。
(2)若B与3连接,则为欧姆挡×100Ω挡,读数为11×100=1100Ω=1.1kΩ。
(3)直流电流挡分为1mA和2.5mA,由题图可知,当接2时应为1mA,根据串并联电路规律可知,R1+R2=IgRgI-Ig=250×10-6×4801×10-3-250×10-6Ω=160Ω,总电阻R总=160×480160+480Ω=120Ω,接4时,为电压挡,因串联接入的电阻较小,故应为量程1V的电压表;此时电流计与R1、R2并联后再与R4串联,即改装后的1mA电流表与R4串联再改装成电压表;根据串联电路规律可知,R4=1-1×10-3×1201×10-3Ω=880Ω。
典例3答案(1)CADB　17　(2)①红　②200　8
解析(1)测阻值约为几十千欧的电阻Rx,应选择欧姆“×1k”挡,然后进行欧姆调零,用欧姆表测待测电阻阻值,读出其示数,最后要把选择开关置于交流电压最大量程处或“OFF”挡,因此合理的实验步骤是CADB;由题图甲可知,被测电阻阻值为17×1kΩ=17kΩ。
(2)①电流从红表笔流入多用电表,a点接电源正极,故a点应接多用电表的红表笔。②由题图乙可知,电阻为串联关系,则有I=UR+Ry,变形可得R=U·1I-Ry,由题图丙可知,图像中纵轴截距的绝对值为Ry,故Ry=200Ω;图像的斜率表示U,故U=400(0.075-0.025)×103V=8V。
典例4答案(1)A　(2)短暂　(3)5　见解析
解析(1)A是机械调零,B是欧姆调零,C是功能选择开关,故选填A。
(2)为防止a、b间存在高压电源并在持续接通时烧坏电表,应采用“点触”方式。
(3)正反向阻值相等说明两接点间无二极管,由题图乙可以读出a、b间阻值为5Ω;因黑箱内只有三个阻值相等的电阻,由表内数据b、c间电阻等于a、b间电阻与a、c间电阻之和,故可推测a、b间电阻与a、c间电阻相串联。又因a、c间阻值是a、b间阻值的2倍,故可判断出电路图如图所示。

对应演练·迁移应用
1.答案(1)黑　(2)EIg-(r+Rg)　(3)EI-EIg
解析(1)欧姆表中电源的正极接黑表笔,因此图中的A端应与黑色表笔相连接。
(2)由闭合电路的欧姆定律可知,Ig=Er+Rg+R0,解得R0=EIg-(r+Rg)。
(3)由闭合电路的欧姆定律可知,I=Er+Rg+R0+Rx,解得Rx=EI-(r+Rg+R0)=EI-EIg。
2.答案(1)2　入　(2)右　19　(3)电压　2.5 V(0~2.5 V)
解析(1)接入1或2都是电流挡,但接入2时,R1、R2两个电阻串联,阻值较大,分得的电流较小,因此是较小量程的电流挡。电流都是“红进黑出”,如果作为欧姆表,根据表内电池的正负极,电流从黑表笔流出可知,B是黑表笔,因此作为电流表,电流应从A表笔(红表笔)流入。
(2)欧姆表的零刻度在表盘的最右侧,欧姆调零时,红黑表笔短接,调整欧姆调零旋钮,使指针指到欧姆表的零刻度,也就是指针指到最右侧;由于恰好对准19Ω的位置,而且是×1档位,所以电阻值为19Ω。
(3)由于S接入2时,是量程为1mA的电流表,因此当S接入5时,该电流表与电阻R3串联,改装成电压表,用来测量电压值。测量电压的量程U=I2R3+IgRg=(1×10-3×2475+500×10-6×50)V=2.5V,因此量程为2.5V。
3.答案(1)连线如图所示　900　R1　(2)45
5　(3)0　35 000.0

解析(1)把图中各元件串联起来,注意电流从红表笔进,从黑表笔出。15kΩ为中值电阻,也是欧姆表内阻,RΩ-R0-r-Rg=15000Ω-14000Ω-1.5Ω-98.5Ω=900Ω,R1最大值为1500Ω,能提供900Ω的电阻,故选R1。
(2)RΩ+Rx1=EI1,RΩ=15kΩ,I1=25μA,联立求得Rx1=45000Ω=45kΩ,a处的刻度标为45。RΩ+Rx2=EI2,I2=75μA,联立求得Rx2=5000Ω=5kΩ,b处的刻度标为5。
(3)欧姆表欧姆调零时调到0;读数就是箭头指的数乘以倍数,然后再加起来,求得和为35000.0Ω。
4.答案(1)R1　(2)300　2 000　2
解析(1)如果定值电阻选R2,则量程变成了600μA,改装成欧姆表时总内阻为2500Ω,串联滑动变阻器R无法满足;当定值电阻选R1时,这样改装后相当于电流计的量程变为I=5Ig=1.5mA,欧姆表总内阻为r=EI=1000Ω,改装合理,因此定值电阻只能选R1。
(2)应该指到欧姆表的0刻度,也就是电流计的300μA;根据闭合电路欧姆定律RV=E5I测-r,代入数据解得RV=2000Ω;电压表的示数U=ERV+rRV=1V,而此时表针恰好指到电压表的中央,因此电压表量程为2V。