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      指向二輪精準復(fù)習(xí)的歐姆表疑難問題深度探析

      2022-05-10 07:22:12湖南謝志剛
      教學(xué)考試(高考物理) 2022年2期
      關(guān)鍵詞:歐姆表調(diào)零內(nèi)阻

      湖南 謝志剛

      歐姆表內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,所涉及的原理與數(shù)學(xué)知識繁雜,給學(xué)生的備考帶來很大障礙。歐姆表的原理、測量、換擋、內(nèi)部電路創(chuàng)新設(shè)計、誤差分析是學(xué)生學(xué)習(xí)中的難點,也是近幾年高考的熱點。本文從《中國高考評價體系》對歐姆表的考查出發(fā),結(jié)合教師教學(xué)與學(xué)生備考過程中發(fā)現(xiàn)的疑難問題進行分析研究。

      一、試探歐姆表讀數(shù)的“深水區(qū)”

      1.真題初探

      由于高中物理教材和教參沒有介紹電表準確度等級讀數(shù)規(guī)則,也沒有給出統(tǒng)一的讀數(shù)標準,這讓廣大教師在教學(xué)中對歐姆表讀數(shù)產(chǎn)生了許多疑惑,歐姆表需不需要估讀?假若需要估讀又有何標準?筆者從歷年全國各地高考試題中找出了一些規(guī)律。

      總結(jié):

      (1)由表1可以得出歐姆表讀數(shù)的一些規(guī)律,在全國所有考卷中,歐姆表是需要估讀的,且讀數(shù)規(guī)則與電壓表、電流表的讀數(shù)規(guī)則相似。

      表1 近20年高考物理試題中歐姆表讀數(shù)規(guī)則統(tǒng)計

      (2)從全國所有考卷的考查情況來看,絕大部分考卷在歐姆表讀數(shù)時指針一般指在表盤的“5”到“20”之間,在這個區(qū)間的表盤刻度最小格為“1”,按“十分之一法”估讀到下一位。只有2019年上海卷、2018年浙江卷中歐姆表指針所在區(qū)間的表盤刻度最小格分別為2和0.2,讀數(shù)時按“二分之一法”進行本位估讀。

      2.教學(xué)處理

      對多用電表的估讀,教師一般指導(dǎo)學(xué)生按如下規(guī)則讀數(shù):

      (1)對最小精度為“1、0.1、0.01……”的多用電表,讀數(shù)規(guī)則是按“十分之一法”估讀到下一位;

      (2)對最小精度為“2、0.2、0.02……”的多用電表,讀數(shù)規(guī)則是按“二分之一法”進行本位估讀;

      (3)對最小精度為“5、0.5、0.05……”的多用電表,讀數(shù)規(guī)則是按“五分之一法”進行本位估讀。

      理論依據(jù):①人教版普通高中課程標準實驗教科書《物理(選修3-1)》(2010年4月第3版)第68頁課后習(xí)題。如表2、圖1所示,選用直流電壓2.5 V擋時,每小格示數(shù)為0.05 V,采用“五分之一法”估讀到0.01 V,指針a示數(shù)讀作0.57 V;指針b示數(shù)讀做2.00 V。與教師用書提供的答案一致。教材與教師用書對最小刻度為“5、0.5、0.05……”的多用電表,讀數(shù)規(guī)則是按“五分之一法”進行本位估讀。

      表2

      圖1

      ②人教版普通高中教科書《物理(必修第三冊)》(2019年7月第1版)第75頁課后習(xí)題。題干條件為多用電表測量一個阻值約為20 Ω的電阻,如圖2所示電表讀數(shù)為________。

      圖2

      由圖2可知,歐姆擋選用“×1”,采用“十分之一法”進行估讀,讀數(shù)為19.0 Ω。與教師用書提供的答案一致。對最小刻度為“1、0.1、0.01……”的多用電表,讀數(shù)規(guī)則是按“五分之一法”進行本位估讀。

      3.特殊情況

      多用電表的最小格為“2、0.2、0.02……”的估讀方法,無法從教材中找到理論依據(jù),縱觀近20年全國各地的高考試題,對最小格為“2、0.2、0.02……”多用電表示數(shù)的估讀,絕大部分采用“二分之一法”進行本位估讀(見表1),極少數(shù)采用“十分之一法”估讀到下一位的(見表3)。

      表3 表盤最小格為“2、0.2、0.02……”多用電表按“十分之一法”讀數(shù)規(guī)則統(tǒng)計

      上述高考卷中出現(xiàn)的估讀情況,否定了大部分教師平時講授的對表盤刻度最小格為“2、0.2、0.02……”的多用電表按“二分之一法”進行本位估讀的方法,這個問題一直是大家爭議最大的地方,由于沒有明確標準,給高中教學(xué)特別是高考備考帶來很大困惑。高考命題專家可能也意識到了這個問題,近些年的各地高考試題都對多用電表讀數(shù)進行回避,或在更加新穎的情境下讀數(shù)。

      當然,為了消除一線教師的疑惑,還需要相關(guān)部門和專家給出明確的讀數(shù)規(guī)則。隨著科技的發(fā)展,數(shù)字式多用電表已逐漸取代指針式多用電表,希望在以后的測試中可以淡化對指針式多用電表的考查。

      二、歐姆表為何只能進行粗測,測量時指針為何盡量指在表盤中央

      測量時,一般考慮相對誤差,由以上兩式可得電阻測量的相對誤差為

      對上述式子推導(dǎo),得出以下結(jié)論:

      (2)當Rx=R內(nèi)時,δ取最小值,Rx與R內(nèi)阻值相差越大,δ越大。即當測量電阻的大小等于電表內(nèi)阻時,歐姆表的測量誤差最小,而R中=R內(nèi),故使用歐姆表時應(yīng)選擇適當量程,且盡量使指針指在表盤中央(中值電阻)附近,這樣測量時的誤差最小。

      三、電池電動勢和內(nèi)阻對歐姆表測量的影響

      【例1】圖3是一個多用電表歐姆擋內(nèi)部電路示意圖,電流表滿偏電流為0.5 mA、內(nèi)阻為10 Ω;電池電動勢為1.5 V、內(nèi)阻為1 Ω;變阻器R0阻值為0~5 000 Ω。

      圖3

      (1)該歐姆表的刻度值是按電池電動勢為1.5 V刻度的,調(diào)零后R0阻值為________Ω。當電池的電動勢下降到1.45 V、內(nèi)阻增大到4 Ω時仍可調(diào)零。調(diào)零后R0阻值將變________(選填“大”或“小”)。

      (2)若該歐姆表換了一個電動勢為1.5 V,內(nèi)阻為10 Ω的電池,調(diào)零后測量某電阻的阻值,其測量結(jié)果________(選填“偏大”“偏小”或“準確”)。

      R0=R-Rg-r=3 000-10-1 Ω=2 989 Ω

      電流表滿偏電流Ig不變,電源電動勢E變小,則歐姆表總內(nèi)阻變小,故R0的阻值調(diào)零時一定變?。?/p>

      (2)因電動勢不變,故歐姆調(diào)零后的中值電阻不變;故測量結(jié)果是準確的。

      【答案】(1)2 989,小 (2)準確

      本題要求學(xué)生熟練運用閉合電路歐姆定律,充分理解歐姆調(diào)零原理。結(jié)合實際情境,鍛煉學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)探究能力。

      四、實驗原理創(chuàng)新:逆向刻度歐姆表與順向刻度歐姆表原理探析

      1.逆向刻度歐姆表原理

      圖4

      當紅黑表筆短接即被測電阻Rx=0時,通過的電流最大,因此在表頭電流最大刻度處標上電阻Rx為零;當紅黑表筆斷開即被測電阻為∞,此時通過表頭的電流為0,指針指在表頭的零刻度處即電阻Rx=∞。中間刻度處為中值電阻,刻度盤左密右疏。

      2.順向刻度歐姆表

      圖5為順向刻度歐姆表的工作原理圖。R∞為歐姆調(diào)無窮大電阻。

      圖5

      綜上所述,在順向刻度歐姆表中當Rx=0,即兩表筆短接,此時通過表頭的電流為零;當Rx=∞時,即兩表筆斷開,通過表頭的電流最大,調(diào)節(jié)調(diào)無窮大電阻R∞,讓表頭指針指在最大刻度處。所以順向歐姆表表頭刻度盤最左邊刻度處為零,中間刻度處為中值電阻,最右邊刻度處為∞,表頭刻度盤的刻度左疏右密。

      五、深度剖析歐姆表換擋原理

      人教版普通高中課程標準實驗教科書《物理(選修3-1)》(2010年4月第3版)第65頁圖2.8-5給出了多用電表的示意圖,如圖6所示。

      圖6

      該示意圖讓學(xué)生和一線教師產(chǎn)生了疑惑:1.歐姆表通過接入不同電源來改變倍率,每個倍率對應(yīng)一個獨立支路,每個支路需要一個調(diào)零旋鈕,則需要多個調(diào)零旋鈕,而實際上多用表只有一個調(diào)零旋鈕。2.每個倍率對應(yīng)不同的電源,則需要多個電源,這與實際情況不符。那么歐姆表的倍率調(diào)節(jié)又是如何實現(xiàn)的?

      圖7

      人教版普通高中課程標準實驗教科書《物理(選修3-1)》(2010年4月第3版)第65頁圖2.8-5介紹的換擋原理簡化如圖8所示,它綜合使用了上述兩種方法,但本質(zhì)都是通過換擋改變中值電阻調(diào)整倍率。

      圖8

      下面結(jié)合實例進一步理解換擋原理:

      【例3】(改編)如圖9所示是一個多量程多用電表的簡化電路圖,請完成下列問題。

      圖9

      (1)多用電表的紅表筆應(yīng)是圖9中的________端(填“A”或“B”)。

      (2)測量直流電流、直流電壓和電阻各有兩個量程。當選擇開關(guān)S旋到位置5、6時,電表用來測量________;當S旋到位置________時,電表可測量直流電流,且量程較大。

      (3)當S旋到位置3或4時,對應(yīng)不同倍率的歐姆表,如果3、4對應(yīng)的電源電動勢E>E′,則位置________(填“3”或“4”)對應(yīng)的歐姆表倍率大。

      (4)某實驗小組利用下列器材研究歐姆擋不同倍率的原理,組裝如圖10所示的簡易歐姆表。

      圖10

      實驗器材如下:

      A.干電池(電動勢E為3.0 V,內(nèi)阻r不計);

      B.電流計G(量程300 μA,內(nèi)阻99 Ω);

      C.可變電阻器R;

      D.定值電阻R0=1 Ω;

      E.導(dǎo)線若干,紅黑表筆各一只。

      ①表盤上100 μA刻度線對應(yīng)的電阻刻度值是________Ω;

      ②如果將R0與電流計并聯(lián),如圖11所示,這相當于歐姆表換擋,則換擋后可變電阻器R阻值應(yīng)調(diào)為________Ω,換擋前、后倍率之比為________。

      圖11

      【解析】(1)多用電表的紅表筆與內(nèi)置電源負極相連,由圖10所示可知,紅表筆應(yīng)與A相連接。

      (2)由圖10所示可知,當轉(zhuǎn)換開關(guān)S旋到位置5、6時,表頭G與電阻串聯(lián),此時可用來測量直流電壓;當S旋到位置1時與表頭G并聯(lián)的電阻阻值較小,此時電流表量程較大。

      (3)根據(jù)電流表的改裝原理,當接到1、2位置時,分流電阻與表頭并聯(lián),所以接1、2位置均是測量電流。接到3、4位置時,均有一個電源接入電路,若內(nèi)接電源的電動勢大,在表頭指針指示位置大致相同的情況下,要求總電阻更大,所以接3位置時的倍率更大。

      (4)①歐姆表中值電阻等于其內(nèi)阻,則中間刻度值對應(yīng)示數(shù)為:

      【答案】(1)A (2)直流電壓,1 (3)3 (4)2×104,99.01,100∶1

      求解本題要理解歐姆表內(nèi)置電源正極與黑表筆相連,負極與紅表筆相連,電流應(yīng)從電壓表正接線柱流入,負接線柱流出。要熟練掌握電流、電壓表的改裝原理,知道改變歐姆表的倍率有兩種方式。高中物理教學(xué)對電表操作能力的要求較高,教師在教學(xué)中對換擋問題不能避難就易,要運用閉合電路歐姆定律讓學(xué)生理解歐姆表讀數(shù)原理的同時,通過對模型的簡化讓學(xué)生知道歐姆表換擋的實質(zhì)是改變中值電阻。

      六、教學(xué)建議

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