2023版步步高物理一轮复习讲义第九章 实验十一　用多用电表测量电学中的物理量

实验十一　用多用电表测量电学中的物理量目标要求　1.了解多用电表的构造和工作原理.2.会用多用电表测量电压、电流.3.测量定值电阻和判断二极管的正负极.4.会用多用电表进行简单的电路故障分析．实验技能储备1．认识多用电表(1)多用电表可以用来测量电流、电压、电阻等，并且每一种测量项目都有几个量程．(2)外形如图所示：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．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)．2．用多用电表测量小灯泡的电压和电流按如图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．红表笔接电势高(填“高”或“低”)的点．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．此时电流从红色表笔流入电表．3．用多用电表测定值电阻的阻值(1)原理(2)注意：①黑表笔与电源的正极连接，红表笔与电源的负极连接，电流方向为“红进黑出”．②当多用电表指针指在中央时eq \f(Ig,2)＝eq \f(E,RΩ＋R中)，知中值电阻R中＝RΩ.(3)测量步骤①估测待测电阻阻值．②欧姆调零．③将被测电阻接在红黑表笔之间．④读数：指针示数乘以倍率．⑤使用完毕：选择开关置于“OFF”挡或交流电压最高挡，长期不用应取出电池．(4)注意事项①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，机械调零对应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，欧姆调零对应的是欧姆调零旋钮．②使指针指在中值附近，否则换挡．③测电阻时每换一次挡必须重新欧姆调零．④手不能接触表笔的金属杆．⑤测量电阻时待测电阻要与其他元件和电源断开．4．用多用电表测二极管的正、反向电阻(1)认识二极管：晶体二极管由半导体材料制成，它的符号如图所示，左端为正极，右端为负极．特点：当给二极管加正向电压时电阻很小，当给二极管加反向电压时电阻很大．(2)用欧姆挡判断二极管的正负极将多用电表欧姆挡调零之后，若多用电表指针偏角很大，则黑表笔接触二极管的正极，红表笔接触二极管的负极(如图甲)；若多用电表指针偏角很小，则黑表笔接触二极管的负极，红表笔接触二极管的正极(如图乙)．5．探索黑箱内的电学元件考点一　教材原型实验 考向1　多用电表原理及读数例1　(2017·全国卷Ⅲ·23)图(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．(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 mA1．10 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，调整表头指针定位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，eq \f(Rg,R1＋R2)＝eq \f(1－0.25,0.25)＝eq \f(3,1)，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. 考向2　欧姆表的使用例2　小明同学练习使用多用电表测电阻：(1)如图甲所示，请根据下列步骤完成电阻测量：①旋动________，使指针对准电流的“0”刻线．(填“S”或“T”)②将K旋转到电阻挡“×10”的位置．③将红、黑表笔短接，旋动________(填“S”或“T”)，使指针对准电阻的________刻线(填“0”或“∞”)．④将两表笔分别与待测电阻相接，发现指针偏转角度过大．为了得到比较准确的测量结果，请从下列选项中挑出合理的步骤，并按________的顺序进行操作，再完成读数测量．A．将K旋转到电阻挡“×100”的位置B．将K旋转到电阻挡“×1”的位置C．将两表笔的金属部分分别与被测电阻的两根引线相接D．将两表笔短接，旋动合适部件，对电表欧姆调零(2)正确操作后，读数如图乙所示，则阻值为________ Ω.(3)若欧姆表内用一个新电池(电动势为1.5 V，内阻较小)，测得该电阻读数为R；然后更换另外品牌的新电池(电动势为1.5 V，内阻较大)，欧姆表调零后测得该电阻读数为R′，两次测量值R与R′相比，正确的是________．A．R′＝R B．R′>RC．R′＜R D．无法确定答案　(1)①S　③T　0　④BDC　(2)19　(3)A解析　(1)①S为机械调零旋钮，测量前应旋动部件S，使指针指在“0”刻度线；③欧姆调零时，应旋动部件T，使指针对准电阻的“0刻线”；④欧姆表指针偏转角度较大，说明所选挡位太大，应该换小挡位进行测量，应将旋转开关K置于电阻挡“×1”的位置，然后进行欧姆调零，再测电阻，因此合理的实验步骤是BDC；(2)由题图乙可知，被测电阻为19 Ω；(3)由欧姆表的结构可知，电源的内阻的变化，可以通过调零电阻的阻值的变化来抵消，两次的测量值是相等的，B、C、D错误，A正确． 考向3　使用多用电表测量二极管例3　钱华同学的爸爸是电气工程师，钱华经常看到爸爸用多用电表进行一些测量．钱华在高中物理课堂上学习了多用电表的用法之后，爸爸给他出了一道题目，让他通过测量找到发光二极管的负极．(1)钱华同学做了如下两步具体的操作：第一，将多用电表选择开关旋转到电阻挡的“×1”挡，经过________之后，他把红表笔接在二极管的短管脚上，把黑表笔接在二极管的长管脚上，发现二极管发出了耀眼的白光；然后他将两表笔的位置互换以后，发现二极管不发光．这说明二极管的负极是______(选填“长管脚”或“短管脚”)所连接的一极．(2)钱华同学的好奇心一下子就被激发起来了，他琢磨了一下，然后又依次用电阻挡的“×1”挡、“×10”挡、“×100”挡、“×1k”挡分别进行了二极管导通状态的准确的测量，他发现二极管发光的亮度越来越________(选填“大”或“小”)，请帮助他分析一下具体的原因：________________________________________________________________________.答案　(1)欧姆调零　短管脚　(2)小　原因见解析解析　(1)在测量电阻时，选择挡位后首先要进行欧姆调零；二极管发光时处于正向导通状态，因为黑表笔所接的长管脚为二极管的正极，故短管脚为负极．(2)从“×1”挡、“×10”挡、“×100”挡到“×1k”挡，多用电表的内阻越来越大，根据闭合电路欧姆定律I＝eq \f(E,R＋RΩ)可知，通过二极管的电流越来越小，根据P＝I2R可知二极管的亮度越来越小．考点二　用多用电表判断电路故障例4　在如图甲所示的电路中，四节干电池串联，小灯泡A、B的规格均为“3.8 V　0.3 A”．合上开关S后，无论怎样移动滑片，A、B灯都不亮．(1)用多用电表的直流电压挡检查故障：①选择开关置于下列量程的________挡较为合适；(用字母序号表示)A．2.5 V B．10 V C．50 V D．250 V②测得c、d间电压约为5.8 V，e、f间电压为0，则故障是________．A．A灯丝断开 B．B灯丝断开C．d、e间连线断开 D．B灯短路(2)接着用欧姆表的“×1”挡测电阻，欧姆表经过“欧姆调零”，①测试前，一定要将电路中的开关S________；②测c、d间和e、f间电阻时，某次测量结果如图乙所示，读数为________ Ω，此时测量的是________间电阻，根据小灯泡的规格计算出的电阻为________ Ω，它不等于测量值，原因是________________________________________________________________________.答案　(1)①B　②A　(2)①断开　②6　e、f12．7　温度高时灯丝电阻率大，计算出的电阻是灯丝温度高时的电阻(或测量出的电阻是常温下灯丝的电阻)解析　(1)①因为电源的电动势大约为6 V，要使电压挡选择的量程安全以及准确，则选择开关应选择10 V的量程，故B正确；②测得c、d间电压约为5.8 V，接近电源电动势，e、f间电压为0，可知灯泡A断路，故A正确．(2)①用欧姆表测量电阻时，开关应断开，使得待测电阻与电源不相连．②欧姆表的读数为6×1 Ω＝6 Ω，因为c、d间断路，知测量的是e、f间的电阻．根据R＝eq \f(U,I)得，小灯泡正常发光时的电阻为R＝eq \f(3.8,0.3) Ω≈12.7 Ω.它不等于测量值，原因是温度高时灯丝电阻率大，计算出的电阻是灯丝温度高时的电阻(或测量出的电阻是常温下灯丝的电阻)．考点三　探索创新实验例5　(2019·全国卷Ⅲ·23)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．(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________(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________、________.(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.答案　(1)如图所示　900　R1(2)45　5　(3)0　35 000.0解析　(1)由题知当两表笔间接入15 kΩ的电阻时，电流表示数为50 μA，由闭合电路欧姆定律有eq \f(Ig,2)＝eq \f(E,Rg＋r＋Rx＋R0＋R)，代入数据解得R＝900 Ω，所以滑动变阻器选择R1.(2)欧姆表的内阻Rg′＝Rg＋r＋R0＋R＝15 kΩ，当电流为25 μA时，有eq \f(Ig,4)＝eq \f(E,Rg′＋Rx′)，可得Rx′＝45 kΩ；当电流为75 μA时，有eq \f(3Ig,4)＝eq \f(E,Rg′＋Rx″)，可得Rx″＝5 kΩ.(3)红、黑表笔短接，调节滑动变阻器，使欧姆表指针指向0 kΩ处．题图中电阻箱读数为35 000.0 Ω.课时精练1．如图甲所示是多用电表欧姆挡内部的部分原理图，已知电源电动势E＝1.5 V，内阻r＝1 Ω，灵敏电流计满偏电流Ig＝10 mA，内阻rg＝90 Ω，表盘如图丙所示，欧姆表表盘中值刻度为“15”．(1)多用电表的选择开关旋至“Ω”区域的某挡位时，其内部电路为图甲所示．将多用电表的红、黑表笔短接，进行欧姆调零，调零后多用电表的总内阻为________ Ω.某电阻接入红、黑表笔间，表盘如图丙所示，则该电阻的阻值为________ Ω.(2)若将选择开关旋至“×1”，则需要将灵敏电流计________(选填“串联”或“并联”)一阻值为________ Ω的电阻，再进行欧姆调零．(3)某同学利用多用电表对二极管正接时的电阻进行粗略测量，如图乙所示，下列说法中正确的是________(填选项前的字母)．A．欧姆表的表笔A、B应分别接二极管的C、D端B．双手捏住两表笔金属杆，测量值将偏大C．若采用“×100”倍率测量时，发现指针偏角过大，应换“×10”倍率，且要重新进行欧姆调零D．若采用“×10”倍率测量时，发现指针位于刻度“15”与“20”的正中央，测量值应略大于175 Ω答案　(1)150　70　(2)并联　10　(3)AC解析　(1)设欧姆表总内阻为R，短接时有E＝IgR代入数据计算得R＝150 Ω当半偏时有E＝eq \f(1,2)Ig(R＋R中)所以R＝R中，所以选择的是“×10”挡位，根据题图丙可知该电阻的阻值为70 Ω.(2)开关旋至“×1”，此时内阻R′＝R中′＝15 Ω，短接时电流Im＝eq \f(E,R′)＝100 mA所以给灵敏电流计并联一个分流电阻R0.根据欧姆定律R0＝eq \f(Igrg,Im－Ig)＝10 Ω(3)二极管具有单向导电性，由于表笔A与欧姆表内部电源正极相连，故需要表笔A、B应分别接二极管的C、D端，故A正确；实验测量时，手不能触碰金属杆，否则会将自身电阻并联进电路，测量值偏小，故B错误；若采用“×100”倍率测量时，发现指针偏角过大，说明电阻对该挡位来说太小，所以应该换小挡位，即“×10”倍率，且要重新进行欧姆调零，故C正确；欧姆表表盘刻度不均匀，“左密右疏”且越往左阻值越大，所以测量值应小于175 Ω，故D错误．2．某同学利用一节干电池(电动势E＝1.5 V，内阻r＝1 Ω)、表头(满偏电流Ig＝1 mA，内阻rg＝1 450 Ω)、两个定值电阻、一个滑动变阻器、单刀双掷开关、导线若干、一对红黑表笔制作一只双量程的简易欧姆表，设计的电路图如图甲、乙所示．(1)红表笔是________(填“A”或“B”)；(2)如图甲所示，先将表笔A、B短接，调节电阻R使表头满偏，则电阻R＝________；(3)保持R不变，按如图乙所示，将定值电阻R1、R2和单刀双掷开关接入电路，将表笔A、B短接，开关分别接1、2使表头指针半偏时，对应的中值电阻分别为150 Ω和300 Ω，则开关接1时的倍率________(填“大于”“等于”或“小于”)接2时的倍率，定值电阻的阻值R1＝________、R2＝________.(以上两空结果保留两位小数)答案　(1)A　(2)49 Ω　(3)小于　106.47 Ω195．61 Ω解析　(1)欧姆表的电流“红进黑出”，故红表笔接内部电源的负极，故红表笔是A.(2)由闭合电路欧姆定律可得Ig＝eq \f(E,r＋R＋rg)代入数据解得R＝49 Ω(3)设开关接1时倍率为“×1”，则开关接2时，满足300 Ω＝150 Ω×2即倍率为“×2”，故开关接1时的倍率小于接2时的倍率．中值电阻表示多用电表的内阻，开关接1时，表头先与R2串联再与R1并联，可得eq \f(R1R2＋rg,R1＋R2＋rg)＋r＋R＝150 Ω开关接2时，R1与R2先串联再与表头并联，可得eq \f(rgR1＋R2,R1＋R2＋rg)＋r＋R＝300 Ω联立解得R1＝106.47 Ω，R2＝195.61 Ω.3．指针式多用电表是实验室中常用的测量仪器．(1)如图甲所示为某同学设计的多用电表的原理示意图．虚线框中S为一个单刀多掷开关，通过操作开关，接线柱B可以分别与触点1、2、3接通，从而实现使用多用电表测量不同物理量的不同功能．关于此多用电表，下列说法中正确的是________．(选填选项前面的字母)A．当S接触点1时，多用电表处于测量电流的挡位，其中接线柱B接的是黑表笔B当S接触点2时，多用电表处于测量电压的挡位，其中接线柱B接的是黑表笔C．当S接触点2时，多用电表处于测量电阻的挡位，其中接线柱B接的是黑表笔D．当S接触点3时，多用电表处于测量电压的挡位，其中接线柱B接的是红表笔(2)用实验室的多用电表进行某次测量时，指针在表盘的位置如图乙所示．a．若所选挡位为直流50 mA挡，则示数为________ mA.b．若所选挡位为电阻“×10”挡，则示数为________ Ω.c．若所选挡位为电阻“×10”挡，则欧姆表表头内阻为________ Ω.(3)用表盘为图乙所示的多用电表正确测量了一个约15 Ω的电阻后，需要继续测量一个阻值约2 kΩ的电阻．在用红、黑表笔接触这个电阻两端之前，请选择以下必需的步骤，并按操作顺序逐一写出步骤的序号：________.A．将红表笔和黑表笔接触B．把选择开关旋转到“×100”位置C．把选择开关旋转到“×1k”位置D．调节欧姆调零旋钮使表针指向欧姆零点(4)某小组同学们发现欧姆表的表盘刻线不均匀，分析在同一个挡位下通过待测电阻的电流I和它的阻值Rx关系，他们分别画出了如图所示的几种图像，其中可能正确的是________．(5)图丙为上题(图乙表盘的)多用电表电阻挡中某一挡位的原理示意图，其中电流表的满偏电流Ig＝100 μA，内阻Rg＝100 Ω，电池的电动势E＝1.5 V，内阻r＝0.5 Ω，则此时欧姆表为电阻________挡．答案　(1)AC　(2)22.0　190　150　(3)BAD　(4)AC　(5)×1k解析　(1)当S接触点2时，内部接电源，则多用电表处于测量电阻的挡位，因黑表笔接内部电源的正极，则接线柱B接的是黑表笔，选项B错误，C正确；当S接触点1时，电阻与表头并联，则多用电表处于测量电流的挡位，其中接线柱B接的是黑表笔，选项A正确；当S接触点3时，表头与电阻串联，则多用电表处于测量电压的挡位，其中接线柱B接的是黑表笔，选项D错误；(2)a.若所选挡位为直流50 mA挡，则示数为22.0 mA；b．若所选挡位为电阻×10 Ω挡，则示数为19×10 Ω＝190 Ω；c．若所选挡位为电阻×10 Ω挡，则欧姆表表头内阻等于中值电阻，即为15×10 Ω＝150 Ω.(3)用表盘为题图乙所示的多用电表正确测量了一个约15 Ω的电阻后，需要继续测量一个阻值约2 kΩ的电阻，则必须要换成“×100”挡，然后两表笔短接调零，其正确步骤是BAD.(4)根据闭合电路的欧姆定律可知I＝eq \f(E,Rx＋R内)则eq \f(1,I)＝eq \f(1,E)Rx＋eq \f(R内,E)，故A、C正确．(5)由闭合电路的欧姆定律Ig＝eq \f(E,R内)，即100×10－6 A＝eq \f(1.5 V,R内)，解得R内＝15 kΩ则此时欧姆表为电阻“×1k”挡．4．(2022·浙江省高三模拟)多用电表是实验室中常用的测量仪器，如图甲所示为多量程多用电表示意图．(1)通过一个单刀多掷开关S，接线柱B可以分别与触点1、2、3、4、5接通，从而实现使用多用电表测量不同物理量的功能．图中的E是电池的电动势，R3是电池内阻，R6是欧姆调零电阻，A、B分别与黑、红表笔相接．R1、R2、R4、R5都是定值电阻，表头G的满偏电流为20 mA，内阻为Rg.已知R1＋R2＝4Rg，R4＝360 Ω，R5＝1 600 Ω.关于此多用电表，下列说法正确的是________；A．图中B是红表笔B．当S接触点1或2时，多用电表处于测量电流的挡位，且接1时的量程比接2时大C．当S接触点3时，多用电表处于测量电阻的挡位，倍率越大，滑动变阻器接入电路的阻值越大D．当S接触点4、5时，多用电表处于测量电压的挡位，且接4比接5时量程大(2)该学习小组将“B”端与“3”相接，将A、B表笔短接，调节R6.进行欧姆调零后测量未知电阻．得到通过表头G的电流与被测未知电阻的关系如图乙所示，由此可知多用电表中电池的电动势E＝____ V(计算结果保留三位有效数字)．通过分析可知该小组使用多用电表的________(填“×1”“×10”或“×1k”)倍率的欧姆挡进行测量未知电阻．(3)实验小组用多用电表测量电源的电动势和内阻．器材有：待测电源(电动势约为8 V), 定值电阻R0＝8.0 Ω，多用电表一只，电阻箱一只，连接实物如图丙所示，测得并记录多组数据后，得到对应的eq \f(1,U)－eq \f(1,R)图，如图丁所示，则内阻r＝________ Ω(结果保留三位有效数字)．答案　(1)ABC　(2)3.75　×10　(3)1.00解析　(2)“B”端与“3”相接时，由IgRg＝(I－Ig)(R1＋R2)，R1＋R2＝4Rg，可得I＝eq \f(5,4)Ig，根据闭合电路欧姆定律I＝eq \f(E,R内＋Rx)，结合题图乙解得R内＝150 Ω，E＝3.75 V通过分析可知欧姆表中值电阻为150 Ω，则该小组使用多用电表的“×10”倍率的欧姆挡进行测量未知电阻．(3)根据题图丁和闭合电路欧姆定律可知E＝U＋eq \f(U,R)(R0＋r)整理可得eq \f(1,U)＝eq \f(1,E)＋eq \f(R0＋r,E)·eq \f(1,R)结合图像的截距和斜率可知b＝eq \f(1,E)＝0.12 V－1k＝eq \f(R0＋r,E)＝1.08 Ω·V－1解得r＝1.00 Ω.电路图I与Rx的对应关系相当于待测电阻Rx＝0，调节R使I＝Ig＝eq \f(E,Rg＋r＋R)，即表头满偏(RΩ＝Rg＋r＋R)相当于待测电阻Rx＝∞，此时I＝0，指针不偏转待测电阻为Rx，I＝eq \f(E,Rg＋r＋R＋Rx)，指针指到某确定位置刻度特点表头电流满偏Ig处，对应欧姆表零刻度(右侧)表头电流I＝0处，对应欧姆表∞刻度(左侧)表头电流I与电阻Rx一一对应，但不是线性关系，表盘刻度不均匀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