一、提出问题:
电流表的使用说明上有这么一段文字:禁止不经过用电器,将电流表的两个接线柱直接连到电源的两极上,否则会烧坏电表,这是什么原因呢?
在使用电压表时,我们可以用电压表的两个接线柱直接连接电源两极(这样就可以测电压),明显与电流表的使用不同,这又是什么原因?
二、猜想与假设:
这可能是因为电流表的电阻很小,而电压表的电阻很大。
三、制定计划与设计实验:
怎样探究电表的电阻呢?联想到课本在引入电阻概念时,是用图1所示电路在M、N两点之间,先后接入长度和粗细相同的锰铜线和镍铬线。观察电流表指针的偏转情况,可以发现,这两种导体对电流的阻碍作用不同。通过的电流较大时,说明这个导体对电流的阻碍作用较小,即电阻小。反之,说明导体的电阻大。
图1中,若用灯泡代替电流表,将待研究的电流表、电压表先后接入电路中的M、N间(图2)用灯泡亮度就可以反映电流表、电压表的电阻大小。考虑到电流表的电阻可能很小,用它与接入电路中的一段铜导线(铜导线电阻可以认为为0)进行比较,即在图2的M,N间先后接入导线和电流表,若灯泡亮度不变,说明电流表与铜导线的电阻差不多,可以认为为0。
四、进行实验与收集证据:
按图示进行实验,将观察结果填入表格中。
M、N间分别接入 | 灯泡亮度情况 |
铜导线 | 亮 |
电流表 | 亮度不变 |
电压表 | 不亮 |
五、分析与论证:
图1中M、N两点间接入导线时灯泡较亮,换成电流表亮度不变,说明电流表的电阻相当于导线,电阻为0。换成电压表灯泡不亮,说明电压表电阻很大。
六、评估:
要知道通过灯泡或电阻的电流,我们可以把电流表串联接入电路中,如果电流表电阻较大,必然会使两次通过灯泡或电阻的电流有较大变化,使测量结果不能真实反映灯泡或电阻的工作情况。这从反面说明电流表的电阻必须很小,从而证实上述结论正确。
要用电压表测量用电器两端的工作电压,必须把电压表并联在用电器两端,若电压表电阻较小,必然会改变原来的电路结构,这也从反面说明电压表电阻极大。
上述实验过程也有一个明显缺陷,即通过灯泡亮度比较电流表与导线的电阻时,这种仅靠亮度变化做出不太可靠。建议改用如图3进行,这里电路中的电流表起到检测电流的作用,用电流是否变化及变化的情况反映待实验的电流表、电压表的电阻情况,这样较准确科学。
与图1实验一样,图2中的实验也是反映电流表、电压表电阻的大致情况,要想精确测量其电阻,可参照伏安法测电阻进行,但这里要对测量仪表的精度有更高要求。
在实验中,还发现一个有趣的现象,在把电压表接入图1中M、N之间时,(如图4),除观察灯泡不亮外,还发现电压表指针有较大幅度偏转,指示值几乎等于电源电压。这又是为什么呢?
小灯泡断路,电流表无示数可以理解,但电压表为什么示数较大呢?实际的电压表是有电阻的,只不过电阻值较大(我们做实验用的电压表阻值选0~3V量程时约3 KΩ,选0~15V量程时约12 KΩ)。因为电压表与小灯泡并联,小灯泡断路以后,电流经过电压表仍可形成通路。此时电压表与滑动变阻器、电流表串联,因电流表电阻极小,滑动变阻器的阻值与电压表相比也可以忽略,所以电压表两端的电压近似等于电源电压。但电流表指针为什么不偏转呢?可以计算此时电路中的电流约为。若电流表选0~0.6A量程接入,则使电流表指针偏转1小格的电流应是0.02A。可以计算一下,上述电流能使电流表指针偏转的角度为:
,即这个电流只能使电流表指针偏转1小格的1/40。由于偏转角度太小,我们看起来电流表无示数。
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