2020版物理新增分大一轮新高考（京津鲁琼）讲义：第八章恒定电流实验十

实验十　用多用电表测量电学中的物理量

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＝－Rg
IgRg＝(I－Ig)R
故R＝
改装后电
表内阻
RV＝Rg＋R>Rg
RA＝
2.校正
(1)电压表的校正电路如图1所示，电流表的校正电路如图2所示．

　　　 图1　　　　　　　　　图2
(2)校正的过程是：先将滑动变阻器的滑动触头移到最左端，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(标准电流表)的示数，并计算满刻度时的百分误差，然后加以校正．
二、欧姆表原理(多用电表测电阻原理)
1．构造
如图3所示，欧姆表由电流表G、电池、调零电阻R和红、黑表笔组成．

图3
欧姆表内部：电流表、电池、调零电阻串联．
外部：接被测电阻Rx.
全电路电阻R总＝Rg＋R＋r＋Rx.
2．工作原理
闭合电路欧姆定律，I＝.
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＝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4所示：上半部分为表盘，表盘上有电流、电压、电阻等多种量程的刻度；下半部分为选择开关，它的四周刻有各种测量项目和量程．

图4
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)．

四、二极管的单向导电性
1．晶体二极管是由半导体材料制成的，它有两个极，即正极和负极，它的符号如图5甲所示．

图5
2．晶体二极管具有单向导电性(符号上的箭头表示允许电流通过的方向)．当给二极管加正向电压时，它的电阻很小，电路导通，如图乙所示；当给二极管加反向电压时，它的电阻很大，电路截止，如图丙所示．
3．将多用电表的选择开关拨到欧姆挡，红、黑表笔接到二极管的两极上，当黑表笔接“正”极，红表笔接“负”极时，电阻示数较小，反之电阻示数很大，由此可判断出二极管的正、负极．

1．实验器材
多用电表、电学黑箱、直流电源、开关、导线若干、小灯泡、二极管、定值电阻(大、中、小)三个．
2．实验步骤
(1)观察：观察多用电表的外形，认识选择开关的测量项目及量程．
(2)机械调零：检查多用电表的指针是否停在表盘刻度左端的零位置．若不指零，则可用小螺丝刀进行机械调零．
(3)将红、黑表笔分别插入“＋”、“－”插孔．
(4)测量小灯泡的电压和电流．
①按如图6甲所示的电路图连好电路，将多用电表选择开关置于直流电压挡，测小灯泡两端的电压．

图6
②按如图乙所示的电路图连好电路，将选择开关置于直流电流挡，测量通过小灯泡的电流．
(5)测量定值电阻
①根据被测电阻的估计阻值，选择合适的挡位，把两表笔短接，观察指针是否指在欧姆表的“0”刻度，若不指在欧姆表的“0”刻度，调节欧姆调零旋钮，使指针指在欧姆表的“0”刻度处；
②将被测电阻接在两表笔之间，待指针稳定后读数；
③读出指针在刻度盘上所指的数值，用读数乘以所选挡位的倍率，即得测量结果；
④测量完毕，将选择开关置于交流电压最高挡或“OFF”挡．

1．多用电表使用注意事项
(1)表内电源正极接黑表笔，负极接红表笔，但是红表笔插入“＋”插孔，黑表笔插入“－”插孔，注意电流的实际方向应为“红入”、“黑出”．
(2)区分“机械零点”与“欧姆零点”．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指针定位螺丝；欧姆零点是指刻度盘右侧的“0”位置，调整的是欧姆调零旋钮．
(3)由于欧姆挡表盘难以估读，测量结果只需取两位有效数字，读数时注意乘以相应挡位的 倍率．
(4)使用多用电表时，手不能接触表笔的金属杆，特别是在测电阻时，更应注意不要用手接触表笔的金属杆．
(5)测量电阻时待测电阻要与其他元件和电源断开，否则不但影响测量结果，甚至可能损坏 电表．
(6)测电阻时每换一次挡必须重新欧姆调零．
(7)使用完毕，选择开关要置于交流电压最高挡或“OFF”挡．长期不用，应把表内电池取出．
2．多用电表对电路故障的检测
(1)断路故障的检测方法
①用直流电压挡：
a．将电压表与电源并联，若电压表示数不为零，说明电源良好，若电压表示数为零，说明电源损坏．
b．在电源完好时，再将电压表与外电路的各部分电路并联．若电压表示数等于电源电动势，则说明该部分电路中有断点．
②用直流电流挡：
将电流表串联在电路中，若电流表的示数为零，则说明与电流表串联的部分电路断路．
③用欧姆挡检测
将各元件与电源断开，然后接到红、黑表笔间，若有阻值(或有电流)说明元件完好，若电阻无穷大(或无电流)说明此元件断路．
(2)短路故障的检测方法
①将电压表与电源并联，若电压表示数为零，说明电源被短路；若电压表示数不为零，则外电路的部分电路不被短路或不完全被短路．
②用电流表检测，若串联在电路中的电流表示数不为零，故障应是短路.

命题点一　教材原型实验
题型1　多用电表的使用和读数
例1　(2017·全国卷Ⅲ·23)图7(a)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．


图7
(1)图(a)中的A端与________(填“红”或“黑”)色表笔相连接．
(2)关于R6的使用，下列说法正确的是________(填正确答案标号)．
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
(3)根据题给条件可得R1＋R2＝________Ω，R4＝________Ω.
(4)某次测量时该多用电表指针位置如图(b)所示．若此时B端是与“1”相连的，则多用电表读数为__________；若此时B端是与“3”相连的，则读数为________；若此时B端是与“5”相连的，则读数为____________．(结果均保留3位有效数字)
答案　(1)黑　(2)B　(3)160　880　(4)1.47 mA
1．10 kΩ　2.94 V
解析　(1)当B端与“3”连接时，内部电源与外部电路形成闭合回路，电流从A端流出，故A端与黑色表笔相连接．
(2)在使用多用电表之前，调整表头螺丝使电表指针指在表盘左端电流“0”位置，选项A错误；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，选项B正确；使用电流挡时，电阻R6不在闭合电路中，调节无效，选项C错误．
(3)根据题给条件可知，当B端与“2”连接时，表头与R1、R2组成的串联电路并联，此时为量程1 mA的电流挡，由并联电路两支路电流与电阻成反比知，＝＝，解得R1＋R2＝160 Ω.
当B端与“4”连接时，表头与R1、R2组成的串联电路并联后再与R4串联，此时为量程1 V的电压挡，表头与R1、R2组成的串联电路并联后的总电阻为120 Ω，两端电压为0.12 V，由串联电路中电压与电阻成正比知：R4两端电压为0.88 V，则R4电阻为880 Ω.
(4)若此时B端是与“1”连接的，多用电表作为直流电流表使用，量程为2.5 mA，读数为1.47 mA.
若此时B端是与“3”连接的，多用电表作为欧姆表使用，读数为11×100 Ω＝1.10 kΩ.
若此时B端是与“5”连接的，多用电表作为直流电压表使用，量程为5 V，读数为2.94 V.
变式1　(2019·河北省邯郸市质检)某同学利用如图8所示装置练习使用多用电表．

图8
(1)测所接电源的电动势E：将多用电表的选择开关旋到________挡并选择适当量程，把开关S1打向________(填“a”或“b”)，开关S2打向________(填“c”或“d”)，读出并记下电表的示数，然后断开S1和S2.
(2)测定值电阻的阻值R(约为1 000 Ω)：将多用电表的选择开关旋到欧姆挡的“________”(填“×1”“×10”“×100”或“×1 k”)挡并进行欧姆调零，把开关S1打向________(填“a”或“b”)，开关S2打向________(填“c”或“d”)，读出并记下电表的示数，然后断开S1和S2.
(3)测电阻R中通过的电流I：将多用电表的选择开关旋到直流“10 mA”挡，把开关S1打向a，开关S2打向________(填“c”或“d”)，读出并记下电表的示数，然后断开S1和S2.
答案　(1)直流电压　a　c　(2)×100　b　c　(3)d
题型2　多用电表的原理
例2　(2018·陕西省宝鸡市第一次质检)某同学制作了简单的指针式多用电表，图9甲为该多用电表的电路原理图，其中选用的电流表的满偏电流为50 mA，当选择开关接3时是量程为250 V的电压表，该多用电表表盘刻度如图乙所示，C为表盘正中间的刻度．

图9
请使用该同学制作的多用电表完成如下的有关操作和计算．
(1)选择开关接1时指针在图乙所示位置，则其读数为________，另一次测量时选择开关接3，指针仍在图乙所示位置，则其读数为________．
(2)选择开关接2时，多用电表为倍率“×10”的欧姆表，若图乙中C处的刻度为15，则甲图中电源的电动势为________ V.
答案　(1)36.0 mA　180 V　(2)3.75
解析　(1)由题意可知，选择开关接1时测电流，电流表的满偏电流为50 mA，其分度值为1 mA，示数为36.0 mA；当选择开关接3时是量程为250 V的电压表，其分度值为5 V，其示数为180 V；
(2)由题图乙可知，指针指在C处时，电流表示数为25.0 mA＝0.025 A，C处电阻为中值电阻，则电表内阻为150 Ω，电源电动势：E＝IR＝0.025×150 V＝3.75 V.
变式2　(2018·山东省淄博市仿真模拟)某物理兴趣小组设计了如图10甲所示的欧姆表电路，通过控制开关S和调节电阻箱，可使欧姆表具有“×1”和“×10”两种倍率．所用器材 如下：
A．干电池：电动势E＝1.5 V，内阻r＝0.5 Ω
B．电流表G：满偏电流Ig＝1 mA，内阻Rg＝150 Ω
C．定值电阻R1＝1200 Ω
D．电阻箱R2和R3：最大阻值均为999.9 Ω
E．电阻箱R4：最大阻值为9 999 Ω
F．开关一个，红、黑表笔各1支，导线若干

图10
(1)该实验小组按图甲正确连接好电路．当开关S断开时，将红、黑表笔短接，调节电阻箱R2＝________ Ω，使电流表达到满偏，此时闭合电路的总电阻叫做欧姆表的内阻R内，则R内＝________ Ω，欧姆表的倍率是________(选填“×1”或“×10”)．
(2)闭合开关S.
第一步：调节电阻箱R2和R3，当R2＝________ Ω且R3＝________ Ω时，将红、黑表笔短接，电流表再次满偏；第二步：在红、黑表笔间接入电阻箱R4，调节R4，当电流表指针指向如图乙所示的位置时，对应的欧姆表的刻度值为________ Ω.
答案　 (1)149.5　1 500　“×10”　(2)14.5　150　100
解析　(1)由闭合电路欧姆定律可知欧姆表的内阻为：R内＝＝ Ω＝1 500 Ω，则电阻为：R2＝R内－R1－Rg－r＝1 500 Ω－1200 Ω－150 Ω－0.5 Ω＝149.5 Ω.中值电阻应为1 500 Ω，根据多用电表的刻度设置可知，表盘上只有两种挡位，若为“×1”，则中值电阻太大，不符合实际，故欧姆表倍率应为“×10”．
(2)为了得到“×1”倍率，应让电流表满偏时对应的电阻
为150 Ω，电路中总电流为：I1＝ A＝0.01 A，此时表头中电流为0.001 A，则与之并联的电阻R3的电流应为：0.01 A－0.001 A＝0.009 A，则R3＝ Ω＝150 Ω，R2＋r＝ Ω＝15 Ω，故R2＝15 Ω－0.5 Ω＝14.5 Ω；题图所示电流为
0.60 mA，则总电阻为：R总＝×103 Ω＝2 500 Ω，故待测电阻为：R测＝2 500 Ω－1 500 Ω＝1 000 Ω，故对应的刻度应为100.
命题点二　实验拓展创新
例3　小明在实验室中发现一个外观上像电阻的未知元件D，设计了如图11甲所示电路进行实验探究，请按要求回答问题：


图11
(1)小明按图甲连接好电路，闭合开关S，将滑动变阻器滑片缓慢地从a端移到b端，发现起始阶段电压表的示数逐渐增大，后续阶段电压表示数保持6 V不变，若D为电阻元件，则该过程中它的电阻值的变化情况可能是________．
A．阻值一直为0
B．阻值先不变，后阶段变小
C．阻值恒定且远大于R2
D．阻值先不变，后阶段变大
(2)根据元件D铭牌上的部分信息，小明从网络获知该元件为稳压二极管，它有正负极之分，在电路中当D的正极接高电势时，其i－u图线如图乙中OC所示，当D的负极接高电势时，其i－u图线如图乙中OAB所示，其中AB段为D的稳压工作区，由此可判断图甲中D的黑色端是它的________极(填“正”或“负”)．
(3)小明接着设计了用多用电表欧姆挡按图丙对该元件进行探究，图丙中虚线框端是多用电表内部等效电路，已知电源电动势E＝9 V，电表满偏电流Ig＝3 mA.实验时小明先进行欧姆调零，则调零后多用电表内部总电阻为________ Ω；调零后按图丙连接元件D进行测量，若D恰好处于稳压工作区，则此时测得元件D的阻值应为________ Ω.
答案　(1)B　(2)负　(3)3 000　6 000
解析　(1)因在滑片移动过程中，起始阶段电压表的示数逐渐增大，后续阶段电压表示数保持6 V不变，则知元件阻值先不变，后阶段变小，故B正确．
(2)结合第(1)问中所给条件，可知D元件黑色端为负极．
(3)由R总＝，解得R总＝3 000 Ω；D恰好处于稳压工作区时，其两端电压U＝6 V，而U＝，解得RD＝6 000 Ω.
变式3　二极管具有独特的单向导电性，当在二极管两极之间所加正向电压小于某值时，二极管的电阻很大(1×106 Ω，甚至更大)，而当正向电压超过某值时，二极管的电阻随两端电压的升高而急剧减小．为了探究二极管的导电特性：
(1)实验小组先用多用电表判断二极管的极性．步骤如下：
A．将多用电表置于欧姆表“×100”挡，短接红、黑表笔，调整________，使指针指向表盘右侧“0”位置；
B．将二极管串接在两表笔之间，多用电表示数如图12中a所示；
C．将二极管两极对调，多用电表示数如图中b所示，则此时与红表笔接触的是二极管的________(填“正”或“负”)极．

图12
(2)实验小组设计了如图13所示的实验电路，通过实验测得相关数据如下表．

图13
正向电压U/V
正向电流I/mA
0.10
0
0.20
0
0.30
0
0.40
0.02
0.50
0.26
0.55
0.56
0.60
1.13
0.65
1.79
0.68
2.37
0.70
3.00

①由二极管的特性和表中数据可知，当电压表示数为0.10～0.30 V时，图中开关S一定接在位置________；
②根据表中数据，在图14中作出二极管的伏安特性曲线(要求保留所描的点迹)，由图线可知，二极管是________(填“线性”或“非线性”)元件．

图14
(3)若此二极管为发光二极管，正常发光时通过的电流为3.00 mA，若用1.5 V的电源供电，则应该给二极管________(填“串”或“并”)联一个约________ Ω的电阻．(结果保留三位有效数字)
答案　(1)A.欧姆调零旋钮　C．负
(2)①1　②见解析图　非线性
(3)串　267
解析　(1)A.欧姆表选挡后要进行欧姆调零，即短接两表笔，调整欧姆调零旋钮，使指针指在表盘右侧“0”位置；
C．步骤B中欧姆表示数很大，而步骤C中示数很小，由题中所给条件知，当示数很小时红表笔接二极管负极．
(2)①题图设计为伏安法测电阻的内接法和外接法可以互换的电路，当开关S接位置1时为电流表内接法，接位置2时为电流表外接法．由表中数据可知，当电压表示数为0.1～0.3 V时电流表示数为0，故电流表内接，开关S接在位置1.
②描点作图如图所示，由图线可知二极管是非线性元件．

(3)发光二极管正常工作时两端电压为0.7 V，电源电动势高于0.7 V，应串联一个电阻，阻值R＝＝ Ω≈267 Ω.