《多用电表》的实验和教学，本文主要内容关键词为：电表论文，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。
新课标高中物理课本《选修3-1》（人教版）第二章第8节《多用电表》是新增加的一个单元课题。其教学目的和要求在《课程标准》中作了明确的叙述：初步了解多用电表的原理；通过实际操作学会使用多用电表。
不少老师觉得这部分内容偏难，教学有些困难。其原因可能是：①习惯了传统教材的编排，即详细讨论“伏安法测电阻”，而将“用欧姆表”测电阻及欧姆表的内部结构只作为次要的内容略加介绍。②囿于应付考试，没有意识到实际应用中大多使用欧姆表测电阻，而很少使用伏安法。③对多用电表的实际电路和原理缺乏了解。④宁可研究高难度的高考理论题，而舍不得在应用知识和技能上花费课时。⑤没有现成的教案和教具。
新教材对这部分的处理更注重于实际应用。淡化了伏安法测电阻，而只将其用于研究非线性元件；取消检测黑箱的分组实验；充实了多用电表各种基本功能的操作练习。
本文将介绍为这个单元教学设计的实验和一些有关多用电表的实际知识。限于篇幅，只讨论教材涉及的指针式电表。而性能更好、功能更多，并且已经逐渐普及的数字式电表，在《教学仪器与实验》第4期有专文介绍。
一、多量程直流电压表和电流表
指针式多用电表的结构是：以一个高灵敏电流表（直流微安表头）为核心，配上若干外围元件组成了多功能测量电路。
了解多用电表要从多量程电压表和电流表开始。课本为此作了精心编排。在第4节正文中讲了单量程电表的设计和原理，例题1类似于J0408型电压表的3V挡，例题2相当于J0407型电流表的0.6A挡。这两个电表都是学生在分组实验中经常使用的。在课后练习的第4、5题研究了双量程电表的电路设计和原理。如此，既为学习多用电表打下基础，又分散了学习难点。
另外，还需演示实验来配合。例如：
(1)组装单量程电压表
取大型演示电表的500μA（或1mA）挡，用电阻箱作为分压电阻，组成量程2.5V（或2V）的电压表。然后用它测量干电池的电动势。
(2)组装双量程电压表
图1
给上述组装好的电压表（虚线框内所示）再串联一个电阻箱
，增加一个10V（或5V）的电压挡，如图1所示。
(3)组装单量程电流表
取大型演示电表的500μA（或1mA）挡，用电阻箱作为分流电阻，组成量程2.5mA（或5mA）的电流表。然后用它测量微小的电流，例如一个发光二极管(LED)微弱发光时的电流。
(4)组装双量程电流表
取大型演示电表的500μA挡，其内阻
。组装成2.5mA和10mA双量程的电流表，采用环形分流电路，如图2所示。
，两者均采用最小步进值为0.1Ω的电阻箱。
图2
注意：不宜改装大量程，因为那样需要很小的分流电阻，不但难于取得合适的阻值，而且不能忽略导线本身和连接点的接触电阻。
(5)让学生分组观察实物
(6)简单的分组实验
给J0408型电压表临时增加一个5V的量程，只需要从标有“3V”的接线柱上，从外界串联一个2kΩ的电阻（例如金属膜定值电阻器）就可以了。然后用它测量一节电池来检验改装是否成功。
图3
图4
二、简单欧姆表
课文对它的电路设计和测量原理的分析与传统教材相同。但是增加了一个例题，对电路作出具体的计算，使学生更容易理解。
要做演示实验来配合。例如取大型演示电表的5001μA挡，其内阻，按照图5连接电路。E为一节干电池，要选择电动势很接近1.5V的，以便于计算和装配。此欧姆表的中值电阻（设计值）为3kΩ，故电池内阻r可忽略。取为1kΩ的定值电阻，
为2kΩ的电位器（或1750Ω教学用的滑动变阻器）。还要改画电表的刻度盘，标出与电流值对应的电阻值。在最大电流值5001μA，刻度处标出“0Ω”，在0μA刻度处标出“∞”，在375、300、250、188、115μA刻度处分别标出“1”“2”“3”“5”“10”。这样就完成了一个倍率为“×1k”的欧姆表的刻度。（与上述设计有关的计算可参考课本，本文略去。）
然后将红、黑两个表笔接触，调节，使表针指在“0Ω”点。再用一个电阻箱作为图5中的
接在两表笔间，分别将其阻值调为1、2、3、5、10kΩ，验证欧姆刻度是否正确。还可以去测量一个未知电阻的粗略值。
图5
三、简单多用电表
简单多用电表并不太复杂，比高考中人为编出的难题还是容易的。教学时只用电路讲解效果不佳，要做演示实验来配合。例如做一个大示教板，画上图6所示的电路，布好导线，装好准备插入元件的若干插口。微安表头是前文所述的大型演示电表的500μA挡，其内阻。然后分步插上元件来组装。先插(160Ω)和(40Ω)组成两个电流挡。再以此1mA挡为基础，插
和
组成两个电压挡。最后插
和
（1kΩ电位器）和电池E（电动势很接近1.5V）组成一个电阻挡，其中值电阻为1.5kΩ，若中值标出数字“15”，则此欧姆挡的倍率为“×100”。全部完成后，分别检测各挡的功能。
图6
四、练习使用多用电表
这是本节的重要教学内容——分组实验，必须做好。下面以标准配备的J0411型多用电表为例介绍实验内容的设计。
(1)测量直流电压和电流
为了练习使用直流毫安挡，宜将课本中测量小灯泡的实验改为测量通过一只普通红色发光二极管LED的电流，还可以再测量它两端的电压。电路如图7所示，电源为两节于电池，R为电阻箱，起限流保护作用，所取阻值不得小于60Ω，使通过发光二极管的电流不超过20mA。
图7
要求选择合适的挡位（量程），会用通用刻度线正确读数。调节R的阻值，可看到发光亮度随电流大小变化，但是LED两端的电压却变化不多。将电源改为1.5V，则无论R取任何值，LED都不发光，因为这种LED需要加上约1.8V正向电压才能导通。
(2)测量50Hz正弦交流电压
电路如图8所示，电源E为J1202型学生电源上标称6v的交流输出，R为50Ω的滑动变阻器，L为2.5V小灯泡。
图8
调节变阻器使灯泡发出较弱的光。选用“2.5V”的交流挡测量灯泡上的电压
，要求会用该挡的专用刻度线正确读数，注意到这一列刻度线的分度是不均匀的，原因是交流电压挡内测量电路中采用了二极管整流，而二极管具有非线性。再改用“10V”的交流挡测量电源电压
，要求用通用刻度线正确读数。还要明确，上述测量结果都是交流电的有效值。
(3)测量定值电阻
J0411型多用电表上电阻刻度线的中值为“15”，设有×1、×10、×100、×1k四个电阻倍率挡。适宜选择标称值为33Ω、120Ω、2.4kΩ、11kΩ、75kΩ这些不同数量级的定值电阻，来练习选择不同的倍率挡进行测量，并且会用电阻专用刻度线正确读数。操作要点见课本。
关于选择倍率的规则，各种资料上有不同的说法。其实，这不是绝对的。笔者认为取被测的，值在“1/4R中值～4R中值”这样的范围内较合适，一方面可以减小读数的相对误差，另一方面可以使相邻倍率之间的适用范围能够衔接而又重叠不多。请参看表1，其电阻刻度线中值为“15”。
表1
倍率 ×1
×10 ×100
×1k
量范围 4Ω～60Ω400Ω～600Ω400Ω～6Ω
4kΩ～60kΩ
(4)检测普通二极管
晶体二极管有多方面的应用，必须让学生了解。课本正文中虽未编入，但是在《练习使用多用电表》的栏目中做了重点介绍。不涉及PN结的微观机理，而是通过实验认识其单向导电的特性。
某些练习题中将二极管看成理想的器件。现在则要认识到，实际的二极管导通后仍然存在正向电阻，而不可看作一段导线，反向电阻也未必是无穷大。可选整流用的型号为2CP11（或1N4007）的硅二极管和检波用的型号为2AP9的锗二极管进行测量。既要学习判别正负极，还可以给出损坏的二极管（断路的、击穿的）来练习判别二极管的好坏。
通常使用中倍率(×100)的电阻挡来测量，操作要点见课本。对反向电阻，宜使用最高倍率挡去测，可看到硅管呈现为“∞”，而锗管则为几十到几百千欧。
还要注意：同一只二极管用不同的倍率挡测出的正向电阻值差别很大，越低的倍率挡测出的阻值越小。这是二极管正向的伏安特性为曲线（非线性）造成的。
(5)检测发光二极管(LED)
这种型号的多用电表电阻挡内用的是3V电池组，而常用的LED正向导通需要的电压约为1.8～2.8V，故可以用来检测。
图9
宜选用最低倍率(×1)的电阻挡来测量，当黑表笔接LED正极、红表笔接LED负极时，就会发出明亮的光。高倍率挡的内阻大，测量时通过LED的电流较小，则发光较弱。
多数多用电表内，除了最高倍率外，其他各挡都使用1.5V电池，不能使LED发光，无法直接用来检测。解决的办法是临时再外接一节电池，如图9所示。注意极性不可接错。
(6)检测较大容量（例如1μF以上）的电容器
课本虽未编入，但课标提出了此项实验，应当做。
通常选用倍率较高的电阻挡。被测电容器不要带电荷（可以事先让它的两根引脚短路一下），将两个表笔分别接触电容器的两根引脚，可看到指针先向右偏转某个角度θ，然后缓慢向左退回，这显示了电容器的充电过程。如能最终退回到“∞”，则表明电容器不漏电。若θ角较大并且回退较慢，则表明电容器的容量较大，这是因为电阻挡内阻和被测电容器组成的RC回路的时间常数较大。（可参阅《教学仪器与实验》2008年7期《电容器的实验和教学》一文）若无充电现象，则表明电容器内部断路。若指针一直指在“0Ω”，则表明电容器内部介质被击穿。
测量普通电解电容器时，要加正向电压，即将黑表笔接电容器正极、红表笔接负极。几百微法以上的电容器在用高倍率电阻挡测量时，表针很难退回到“∞”。其原因是：①充电电流太小，短时间内不易充满。②大电解电容的漏电不可忽略，表现为表针最终不能退回到“∞”。最终显示的电阻值越小，则表明漏电越严重。一般而言，容量越大，漏电也越大。电解电容极性反接时漏电更明显，一般不允许反向工作。