多变不离其“宗”——认识电表改装的来龙去脉，本文主要内容关键词为：电表论文,来龙去脉论文,不离论文,多变论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
物理学是以实验为基础的自然科学，所以在物理教学中经常要借助实验仪器来更好地开展教学，在实验探究等活动中培养学生的动手能力和探究创新能力等，以更好地体现素质教育的教学宗旨。但一般教师多教学生怎样使用仪器，而少讲其工作原理，灵活运用和转变过程等更是探索很少，使学生知其然而未知其所以然。本人在教学中也碰到学生对于电流表、电压表和欧姆表的本质掌握不够，理解也只停留在表面或者理想电表程度的现象。所以，他们对于电压表串联或者电流表并联等“特殊”的接法不知所措，或者在电流表、电压表和欧姆表等相互关系或转换应用时难以把握等。针对这些问题，下面通过三个方面来阐述表头与电学三表的内在联系，采用寻“宗”的方法通过对表头的理解逐步认识电学三表由表头改装的来龙去脉，教学实践证明其效果非常好。
一、认识“聪明”的电阻——表头
其实，表头从电路的角度看就是一个电阻，只是该电阻是个有“头脑”的电阻，其“聪明”之处在于它能通过它的电流显示出来。那么，这个“聪明”的电阻是怎样展示其“智慧”的呢？让我们来走进它奇妙的世界。
表头G本身就是小量程的电流表，在中学阶段实验室使用的是磁电式电流表，故此以磁电式电流表为例来进行分析。这个“聪明”的电阻有着很精妙的“头脑”结构，图1为其结构示意图。
1.构造“器官”：蹄形磁铁、绕有线圈的铝框、圆柱形铁芯（软铁）、两个螺旋形弹簧，极靴、指针、刻度盘，如图1所示。
2.“器官”功能：
(1)蹄形磁铁：产生磁场。
(2)线圈：圆柱形铁芯外面套有一个可绕轴转动的铝框，铝框上绕有线圈，线圈上通过电流时受到安培力，在该力作用下线圈发生转动（如图2）。
图1
图2
(3)螺旋形弹簧：固定在转轴两端，每个弹簧一端与线圈相连，另一端连接线柱。被测电流经过这两个弹簧流入线圈，线圈转动时螺旋形弹簧随其旋紧进而阻碍线圈转动。
(4)极靴：（装在磁铁两极之间，图中未显示）使极靴与圆柱间的磁场都沿半径方向，使线圈处处与磁感线平行（如图2）。
(5)指针：固定在转轴上，线圈偏转多大角度指针也偏转多大角度，用来指示通过表头的电流。
(6)刻度盘：通过指针指示的刻度盘数值可读出流过磁电式电流表的电流。
那么，表头G是怎样来显示电流的强弱和方向的呢？如图3是线圈在磁场中的受力情况。当电流通过表头的线圈时，导线受到安培力的作用。由左手定则可以判定，线圈左右两边所受安培力的方向相反，由此二力产生的力矩M使安装在轴上的线圈发生转动，并带动指针一起偏转，但这个力矩不随转角变化。线圈一旦转动，螺旋弹簧就被扭动旋紧，产生一个阻碍线圈转动的力矩，其大小随线圈转动角度的增大而增大，且这个力矩与线圈转过的角度成正比。当这种阻碍线圈转动的力矩增大到同安培力产生的使线圈转动的力矩M相平衡时，线圈停止转动。停止转动时有关系M=kθ，而M∝I，所以有θ∝I。这样，根据指针偏转角度θ的大小，就可以知道被测电流I的强弱。因通过的电流与指针转过的角度成正比，所以刻度盘上的标度是均匀分布的（如图4）。
图3
图4
电流方向改变时安培力方向也随着改变，进而指针的偏转方向也发生改变。所以，根据指针的偏转方向便可以知道被测电流的方向。
显然，表头——这个“聪明”的电阻，通过电磁之间微妙的相互联系，把电流的大小通过受力指针这个“触角”，明确地在表盘这个“经纬”上指出了位置，而我们就可以方便地看出通过此电路的电流大小及其方向，真乃妙哉！
表头是怎样改装成电流表、电压表和欧姆表的呢？让我们看看下面三点分析。
二、表头化三表——电流表、电压表、欧姆表
图5
图6
图7
2.小量程电流表G（即表头）改装成大量程电压表
首先应明白一个问题，就是当小量程电流表G（即表头）指针指着某一电流刻度时，表示通过电流表的电流为某一数值，但同时也意味着表头两接线柱之间具有一定大小的电压。若表头内阻
（一般不变）已知，则有
，表明两端电压与
成正比。所以，只要把每个对应的电流刻度变为原来的倍即变为电压标度，亦即表头实际上相当于一个小量程的电压表。
即使如上所述，表头可以当电压表使用，但问题是当通过较大电流时表头还是会烧坏。所以，在此还是需要把小量程电流表改装成大量程的电压表。怎样改装呢？让我们看以下分析。
图8
图9
图10
图11
3.小量程电流表G（即表头）改装成欧姆表
怎样来测量一个未知电阻R呢？首先必须把通过表头的电流与外界电阻R联系起来，再从电表指针的偏转大小间接读出外界电阻的大小。我们来看以下分析。
图12
图13
图14
三、三表合一表——多用电表
因为电流表、电压表和欧姆表均由表头改装而成，所以让它们共用一个表头即可设计成一个多用电表，如图15丁。
图15中甲、乙、丙分别是电流表、欧姆表和电压表示意图，通过一个单刀多掷开关，可以设计成如图15丁所示电路。此电路中当B接通1时，就成了电流表；当B接通2时，就成了欧姆表；而当B接通3时，就成了电压表。所以，如果用一个盒子把此电路包装好，就变成了集三表于一身的仪表——多用电表（如图15丁），既节约了表头等材料又方便实用。这个巧妙的设计原理在其他地方也有很多应用，特别是在各种集成电路中。
图15
当然，通过设计多用电表也可以得到多量程仪表，一般我们在实验室使用的多为多量程仪表。其简化电路如图16。通过以上三方面的分析，可明显看出，其实不管是电流表、电压表还是欧姆表，都是由其共同的“宗”——表头改装而来的。掌握其原理与相互联系后，不管相关电学问题怎样变化都可迎刃而解；同时，对于开拓学生思维与培养其实验探究创新能力都会有极大的引导作用，也可体现出在物理教学中加强实验仪器原理分析与拓展的重要性和必要性。
图16