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2019-2020年高中物理 第3章 從電表電路到集成電路 3.1 學(xué)會使用多用電表教案2 滬科版選修3-1 知識梳理 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1.了解多用電表的構(gòu)造和原理; 2.使用多用電表測電阻; 3.探測黑箱內(nèi)的電學(xué)元件. 二、實(shí)驗(yàn)原理 1.多用電表的構(gòu)造及功能 多用電表可以用來測電流、電壓和電阻，又稱萬用電表，其表面結(jié)構(gòu)如圖7-3-55所示. 圖7-3-55 其表面分為上、下兩部分，上半部分為表盤，共有三條刻度線，最上面的刻度線的左端標(biāo)有“∞”，右端標(biāo)有“0”，是用于測電阻的，中間的刻度線是用于測直流電流和直流電壓的，其刻度是分布均勻的，最下面一條刻度線左側(cè)標(biāo)有“V”是用于測交流電壓的，其刻度是不均勻的.多用電表表面的下半部分為選擇開關(guān)，周圍標(biāo)有測量功能的區(qū)域和量程.將多用電表的選擇開關(guān)旋轉(zhuǎn)到電流擋，多用電表就測量電流;當(dāng)選擇開關(guān)旋轉(zhuǎn)到其他功能區(qū)域時(shí)，就可測量電壓或電阻. 多用電表表面還有一對正、負(fù)插孔.紅表筆插“＋”插孔，黑表筆插“-”插孔，插孔上面的旋鈕叫調(diào)零旋鈕，用它可進(jìn)行電阻調(diào)零.另外，在表盤和選擇開關(guān)之間還有一個(gè)機(jī)械調(diào)零旋鈕，用它可以進(jìn)行機(jī)械調(diào)零，即旋轉(zhuǎn)該調(diào)零螺絲，可使指針（在不接入電路中時(shí)）指在左端“0”刻線. 2.多用電表是電流表、電壓表和歐姆表的組合，測電流和電壓的原理與電流表和電壓表相同 （1）直流電流擋:直流電流擋的幾個(gè)擋位實(shí)際是由同一表頭并聯(lián)不同電阻改裝而成的幾個(gè)量程不同的電流表. （2）直流電壓擋:直流電壓擋的幾個(gè)擋位實(shí)際是由同一表頭串聯(lián)不同電阻改裝而成的幾個(gè)量程不同的電壓表. （3）測電阻的原理如圖7-3-56所示. 圖7-3-56 歐姆表是根據(jù)閉合電路歐姆定律制成的測量電阻的儀表，可直接讀出電阻值，比用伏安法測電阻方便. 調(diào)零時(shí) 測量時(shí) 只要將對應(yīng)Rx值的電流刻度I改為阻值Rx即為歐姆表. 由于I與R成非線性關(guān)系，表盤上電流刻度是均勻的，其對應(yīng)的電阻刻度卻是不均勻的，電阻的零刻度在電流滿偏處. 3.二極管的單向?qū)щ娦? 二極管是用半導(dǎo)體材料制成的電子元件，它有兩個(gè)引線，一根叫正極，另一根叫負(fù)極，二極管的表示符號是，當(dāng)二極管的正極接高電勢點(diǎn)、負(fù)極接低電勢點(diǎn)，即加正向電壓時(shí)，二極管電阻很?。ㄅc加反向電壓比較），處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于一個(gè)接通的開關(guān);當(dāng)給二極管加反向電壓時(shí)，二極管的電阻無窮大，相當(dāng)于一個(gè)斷開的開關(guān)，這種特性叫二極管的單向?qū)щ娦裕驯粡V泛應(yīng)用. 三、實(shí)驗(yàn)器材 多用電表一只，干電池一節(jié)，電阻箱一個(gè)，定值電阻三個(gè)，黑箱一個(gè)，導(dǎo)線若干. 四、實(shí)驗(yàn)步驟 1.用多用電表測電阻的步驟 （1）調(diào)整定位螺絲，使指針指向電流的零刻度. （2）選擇開關(guān)置于“Ω”擋的R1擋，短接紅、黑表筆，調(diào)節(jié)歐姆調(diào)零旋鈕，然后斷開表筆，再使指針指到“0”歐姆位置. （3）將兩表筆分別接觸阻值為幾十歐的定值電阻兩端，讀出指示的電阻值，然后斷開表筆，再與標(biāo)定值進(jìn)行比較. （4）選擇開關(guān)改置R100擋，重新進(jìn)行歐姆調(diào)零. （5）再將兩表筆分別接觸標(biāo)定值為幾十千歐的電阻兩端，讀出指示的電阻值，然后斷開表筆，與標(biāo)定值進(jìn)行比較. （6）測量完畢，將選擇開關(guān)置于交流電壓最高擋或OFF擋. 2.研究二極管的單向?qū)щ娦? （1）將二極管、小電珠、電鍵、直流電源按如圖7-3-57甲所示電路連接起來，閉合電鍵S后，小電珠正常發(fā)光. 圖7-3-57 （2）將二極管、電鍵、小電珠等按如圖7-3-57乙所示連接起來，閉合電鍵S后，小電珠不發(fā)光. 3.探測黑箱內(nèi)電路，如圖7-3-58所示. 圖7-3-58 （1）操作程序 作出初步判斷后，再根據(jù)各接點(diǎn)間的測量值進(jìn)行邏輯推理，判斷黑箱內(nèi)有哪些電學(xué)元件（電阻、電源、二極管等），最終確定元件的位置和連接方法. （2）操作步驟 ①機(jī)械調(diào)零:熟悉多用電表的表面結(jié)構(gòu)，觀察使用前指針是否指在刻度線左端0位置，若不指0，調(diào)整調(diào)零螺絲，使指針指0. ②將多用電表選擇開關(guān)旋轉(zhuǎn)到直流電壓擋，并置于500 V量程，用多用電表測量黑箱任意兩個(gè)接線柱間的電壓，若均無示數(shù)，說明箱內(nèi)不含電源. ③先選定歐姆擋的某一較小的擋，兩表筆短接，進(jìn)行調(diào)零.然后，用歐姆擋測A、B間正反向電阻.若兩次所測阻值相等，則表明A、B間只含有電阻.若一次測量電阻值較小，另一次較大，說明A、B間有二極管，且測量阻值較小時(shí)，與黑表筆接觸的那一端為二極管的正極. ④用歐姆擋測B、C間正反接電阻.若兩次所測阻值相等，則表明B、C間只含有電阻.若一次測量電阻值較小，另一次較大，說明B、C間有二極管，且測量阻值較小時(shí)，與黑表筆接觸的那一端為二極管的正極. ⑤根據(jù)前面所測結(jié)果，畫出黑箱內(nèi)電路. ⑥使用完畢，將表筆從插孔中拔出，并將選擇開關(guān)置于“OFF”擋或交流電壓最高擋. 五、使用歐姆擋進(jìn)行測電阻時(shí)的注意事項(xiàng) 1.為了提高測量的精度，在選擇量程范圍時(shí)，應(yīng)盡可能使表針指示在滿刻度的20%～80%弧長范圍內(nèi)，表針愈靠近刻度線的中點(diǎn)（即滿刻度的1/2），測量的準(zhǔn)確度愈高.例如，測量1 kΩ左右的電阻，應(yīng)選擇100擋（這時(shí)表針指示在刻度線的中間位置，而不應(yīng)選擇10或1k擋（這時(shí)表針的指示遠(yuǎn)離中間位置）. 2.每次變換電阻的擋位以后，都要重調(diào)歐姆零點(diǎn)，否則測量結(jié)果不準(zhǔn)確.如果旋動“調(diào)零旋鈕”已無法使表針到達(dá)“0”位，則說明表內(nèi)電池電壓不足，應(yīng)打開電表背面的電池盒蓋板，換上同規(guī)格的新電池（注意電池的極性）. 3.測量電路中的電阻時(shí)，應(yīng)先切斷電源.如果待測電阻有并聯(lián)支路存在，必須將待測電阻的一端脫開，然后再對它測量，否則電表的讀數(shù)不是待測電阻的阻值，而是各支路電阻并聯(lián)后的總阻值.如果電路中有大電容器存在，必須先將電容器放電完畢以后，才能進(jìn)行測量. 4.檢查晶體管時(shí)，必須使用“100”或“1k”擋.不能使用“1”或“10 k”擋，因前者電流太大（100 mA左右），后者電壓太高（9 V），都可能損壞晶體管. 5.使用歐姆擋檢查整流元件（晶體二極管）的正負(fù)極性時(shí)，必須注意到:萬用電表內(nèi)電池的“＋”極是與黑表筆（即表面的“-”插孔）相連的.因此電流是從黑表筆流出，經(jīng)外接元件后再回到紅表筆去.如果忽視這一點(diǎn)，就會引起判斷上的錯誤. 6.使用歐姆擋的間歇中，不要讓兩表筆短路，以免損耗電池.表針長時(shí)間偏轉(zhuǎn)，對電表的保養(yǎng)也不利. 7.測電阻時(shí)，待測電阻要與電源以及其他電阻斷開，且不能用手接觸表筆. 8.用多用電表測黑箱時(shí)，一定要先用電壓擋判斷其內(nèi)部有無電源，確認(rèn)無電源后才能使用歐姆擋測量. 9.使用完畢，將表筆從插孔中拔出，并將選擇開關(guān)置于“OFF”擋或交流電壓最高擋. 六、誤差分析 測量值偏大其主要原因可能是表筆與電阻兩端接觸欠緊而引入接觸電阻，或者在連續(xù)測量過程中，表筆接觸時(shí)間過長，引起電表內(nèi)電池電動勢下降，內(nèi)阻增加.如果是高值電阻的測量值，則可能是人體電阻并入造成.歐姆表的刻度是按標(biāo)準(zhǔn)電池標(biāo)出，當(dāng)電池用舊了，電動勢和內(nèi)阻均發(fā)生變化，由此引起測量誤差. 交流與思考:使用歐姆擋，在選取量程時(shí)，為什么使指針指在中值電阻附近可提高測量準(zhǔn)確度？ 提示:若指針偏轉(zhuǎn)角度太大，由于讀數(shù)太小而造成偶然誤差增大;若指針偏轉(zhuǎn)角度太小，由于刻度線太密集而使讀數(shù)不準(zhǔn)確，甚至無法讀數(shù).所以，只有指針指在中值電阻附近時(shí)才比較準(zhǔn)確. 重難探究 考點(diǎn)　歐姆表（擋）原理 （1）原理圖:（如圖7-3-59所示） 圖7-3-59 G是電流表，內(nèi)阻為R g，滿偏電流為Ig.電池的電動勢為E，內(nèi)阻為r.電阻R為可變電阻，也叫調(diào)零電阻. （2）歐姆表原理:，即I與Rx一一對應(yīng). （3）特點(diǎn): A.Rx＝0，此時(shí)，指針偏轉(zhuǎn)最大. B.紅、黑表筆不接觸，I＝0，指針不偏轉(zhuǎn)，刻度值為∞. C.測電阻Rx時(shí)，.由于I和Rx 之間不成正比，所以歐姆表刻度是不均勻的. D.測量時(shí)被測電阻要與原電路斷開. 交流與思考:歐姆表的中值電阻與內(nèi)阻有何關(guān)系？由此解釋為何每次歐姆表換擋都要調(diào)零. 提示:由，解得R內(nèi)=R中，即中值電阻等于歐姆表的內(nèi)阻. 若換用不同的擋時(shí)，其中值電阻都是不同的，歐姆表對應(yīng)的內(nèi)阻也不相同.因此，在不同的擋位時(shí)，只有重新調(diào)零才能使指針指在滿偏位置. 【探究】 如圖7-3-60所示為歐姆表的原理示意圖，其中電流表的滿偏電流為300 μA，內(nèi)阻Rg＝100 Ω，調(diào)零電阻最大阻值R＝50 kΩ，串聯(lián)的固定電阻R0＝50 Ω，電池電動勢E＝1.5 V，用它測量電阻Rx能準(zhǔn)確測量的阻值范圍是_________________. 圖7-3-60 A.30 kΩ～80 kΩ B.3 kΩ～8 kΩ C.300 kΩ～800 kΩ D.3 000 kΩ～8 000 kΩ 解析:當(dāng)紅、黑表筆短接時(shí)，根據(jù) 得 當(dāng)指針指在中間時(shí)，被測電阻為Rx，則Rx=R+Rg+R+R0=5 kΩ 使用歐姆擋讀數(shù)時(shí)，指針偏轉(zhuǎn)范圍為中，即1 kΩ～25 kΩ，所以，選項(xiàng)B正確. 答案:B 典例精析 1.多用電表的應(yīng)用 【例1】 一學(xué)生用多用電表測電阻，他在實(shí)驗(yàn)中有違反使用規(guī)則之處.他的主要實(shí)驗(yàn)步驟如下: （1）選擇開關(guān)扳到歐姆擋“1 k”上; （2）把表筆插入測試筆插孔中，先把兩根表筆相接觸，旋轉(zhuǎn)調(diào)零旋鈕，使指針指在電阻刻度的零位上; （3）把兩根表筆分別與某一待測電阻的兩端相接，發(fā)現(xiàn)這時(shí)指針幾乎滿偏; （4）換用“100”的歐姆擋，發(fā)現(xiàn)這時(shí)指針的偏轉(zhuǎn)適中，隨即記下歐姆數(shù)值; （5）把表筆從測試筆插孔中拔出后，就把多用表放回桌上原處，實(shí)驗(yàn)完畢. 這個(gè)學(xué)生在測量時(shí)已注意到:待測電阻與其他元件和電源斷開，不用手碰表筆的金屬桿.這個(gè)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中違反了哪一條或哪一些重要的使用規(guī)則？ 答:____________________________________________________________. 解析:使用歐姆表要注意的地方比較多.使用前要經(jīng)過調(diào)整（機(jī)械調(diào)零，選擇量程后要電阻調(diào)零），使用后要復(fù)位（拔出表筆，選擇開關(guān)應(yīng)置于“OFF”擋或交流高壓擋），使用過程中換擋后要重新調(diào)零……這些往往都是考查的重點(diǎn). 答案:該題中不符合操作規(guī)則的是:換到合適的量程后，要重新調(diào)整調(diào)零旋鈕;使用后不能把選擇開關(guān)置于歐姆擋. 點(diǎn)評:注重多用電表測電阻的原理、實(shí)際操作和探索意識，是提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α⑦m應(yīng)高考要求的有效學(xué)習(xí)策略. 鞏固與拓展 多用電表表頭的示意圖如圖7-3-61所示. 圖7-3-61 　　在正確操作的情況下: （1）若選擇開關(guān)的位置如灰箭頭所示，則測量的物理量是________，測量結(jié)果為________. （2）若選擇開關(guān)的位置如白箭頭所示，則測量的物理量是________，測量結(jié)果為________. （3）若選擇開關(guān)的位置如黑箭頭所示，則測量的物理量是________，測量結(jié)果為________. （4）若選擇開關(guān)的位置如黑箭頭所示，正確操作后發(fā)現(xiàn)指針的偏轉(zhuǎn)角很小，那么接下來的正確操作步驟應(yīng)該依次為: 　________________________________; 　________________________________; 　________________________________. （5）全部測量結(jié)束后，應(yīng)將選擇開關(guān)撥到________或者_(dá)_______. （6）無論用多用電表進(jìn)行何種測量（限于直流），電流都應(yīng)該從________色表筆經(jīng)________插孔流入電表. 答案:（1）直流電壓 　1.20 V （2）直流電流　47 mA （3）電阻　17 kΩ （4）換用1 kΩ倍率，重新調(diào)零　將紅黑表筆分別接觸被測電阻的兩根引線，讀出指針?biāo)缚潭取≡俪艘员堵实脺y量值 （5）OFF　交流電壓500 V擋位置　 （6）紅　 正 2.使用多用電表探索黑箱內(nèi)的電學(xué)元件 【例2】 如圖7-3-62所示，已知黑箱外有A、B、C三只接線柱，黑箱內(nèi)有一只定值電阻和一個(gè)二極管，它們的兩端都直接接在接線柱上.用多用電表依次測三只接線柱間的阻值，結(jié)果如下表所示.請判定黑箱內(nèi)的結(jié)構(gòu). 圖7-3-62 紅表筆 A A B C C B 黑表筆 B C C B A A 阻值（Ω） 100 150 50 2k 2.1k 100 　　思路點(diǎn)撥:電阻的正反向電阻相同，二極管的正反向電阻不同，且差距很大.歐姆表的黑表筆接內(nèi)部電源的正極，紅表筆接內(nèi)部電源的負(fù)極. 解析:定值電阻阻值與電流方向無關(guān).二極管有單向?qū)щ娦裕潆娮枧c電流方向有關(guān):其正向電阻較小，反向電阻很大.電流方向總是從紅表筆流入多用電表，因此一定是從黑表筆流入被測電路的. A、B間電阻與電流方向無關(guān)，因此一定是定值電阻;B、C間電阻與電流方向有關(guān)，且阻值較小，說明二極管一定直接接在B、C間且C為正極. 答案:黑箱內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖7-3-63所示. 圖7-3-63 點(diǎn)評:電學(xué)黑箱是指內(nèi)部要素和結(jié)構(gòu)尚不清楚的系統(tǒng)，其研究方法是用多用電表進(jìn)行探索和推理，從而發(fā)現(xiàn)內(nèi)部電學(xué)元件的連接關(guān)系.這類問題解題方法是: （1）根據(jù)黑箱的輸入、輸出信息，用多用電表進(jìn)行探測和推理; （2）猜想黑箱內(nèi)與題給條件相容的結(jié)構(gòu)模型; （3）分析、驗(yàn)證是否滿足題目有關(guān)條件，同時(shí)注意是否有多解.