中學生用的電壓表、可以看作一個讀出電壓值的超大電阻,是由小量程電流表改裝的測量電壓的儀器,工作原理與電動機一樣,即通電的導體在磁場中受到力的作用。
電壓表有一隻内阻(設為Rg)為10歐姆,滿偏電流(通過此表的最大電流,設為Ig)為30mA的電流表,如果把此表直接當作電壓表使用,測量的最大電壓隻可以為Ug=Rg×Ig=0.3伏特,刻度方法,把滿偏電流30mA刻度線處标為0.3伏特,再把0--0.3伏特劃分為30等份,每一等份表示0.01伏特,這就是量程為0--0.3伏特的電壓表。
實際測量的電壓值基本上要大于0.3伏特,如實驗室中的學生電壓表有3伏特和15伏特雙量程,這時,我們可以采用分壓原理來擴大電壓表的量程,在中學階段,分壓基本上是串聯電阻來解決。例如改裝成可以測量最大電壓為3伏特的電壓表,則要把上述小量程電流表串聯一個電阻R。使這個電阻分壓2.7伏特,R。的計算方法用歐姆定律或者分壓原理,由于串聯電路中電流處處相等,所以,R。=2.7伏特/0.03安培=90歐姆。同理,改裝成可以測量最大電壓15伏特的電壓表,則要把上述小量程電流表串聯一個電阻R’,使這個電阻分壓14.7伏特的電壓,可計算R’=490歐姆。
如果要改裝成雙量程電壓表,則一條刻度線要代表兩個刻度值,此時,大量程是小量程的5倍,應該在3伏特量程的基礎上再串聯一個電阻R’’,使這個電阻分壓12伏特,則電阻R’’=12伏特/0.03安培=400歐姆。整個電壓表的内阻就是400 90 10=500歐姆。
把滿偏電流30mA刻度線處标為15伏特,并把0--15伏特劃分為30等份,每一等份表示0.5伏特,這就是量程為0--15伏特的電壓表。當然,也可以把滿偏電流30mA刻度線處标為3伏特,并把0--3伏特劃分為30等份,每一等份表示0.1伏特,就是量程為0--3伏特的電壓表。很明顯,同一條刻度線表示的兩個刻度值是5倍的關系。
初高中與電壓表有關的應用知識。
第一,為什麼電壓表串聯接入電路中,電流表無示數,小燈泡不亮,電壓表的讀數約等于電源的電壓。
在初中測量小燈泡電阻的物理實驗中,實驗電壓一般是兩節幹電池,電壓為3伏特。假如滑動變阻器處于最小值位置,忽略燈泡的電阻,上述電壓表的内阻,接15伏特的大量程為500歐姆,我們來計算一下電路中的電流值:3伏特/500歐姆=0.006安培,小于實驗室中電流表的最小分度值0.02安培,也就是說電流表的指針基本上沒有動(指示)。這樣小的電流,小燈泡也不可能發光的。
電壓表的讀數為什麼約等于電源的電壓?用分壓原理解釋最好,假如滑動變阻器處于最大值50歐姆的位置,忽略燈泡的電阻和不忽略燈泡的電阻結果都差不多,設小燈泡的電阻10歐姆,則3伏特的電源電壓,被500歐姆的電壓表和60歐姆(50歐姆 10歐姆)的電阻分壓,電壓表與電阻的分電壓比為500:60=50:6=25:3,即電壓表分得電壓值等于2.7伏特,約等于電源電壓值。
第二,在高中物理中,電壓表串聯接入電路可以用來測量高值電阻。此時,電壓表被當作一個可以讀出電壓值的用電器。舉一例。
在進行某些電學測量時,把電壓表看成能顯示其兩端電壓的大電阻,将它與一個阻值很大的待測電阻RX串聯接入電路,根據電壓表的示數可以測出Rx的阻值。如上圖所示的電路中,電壓表的内阻Rv=20kΩ,量程為150V,最小分度值為5V,電源的電壓U=110V,當電壓表的示數為50伏特時。求待測電阻RX的阻值。若将RX換成阻值約為20Ω的小電阻,用這種方法能否準确測出它的阻值嗎?過程略。
第三,伏安法測電阻的内接法和外接法的理解。舉一例。
上圖甲為常用的“伏安法測電阻”實驗電路的一部分,屬于外接法,主要用于測量電壓表的内阻遠大于被測電阻 Rx阻值的電路。由于經過電壓表的電流很小,可以忽略,根據電壓表和電流表數值算出的 Rx 阻值,近似等于Rx的實際阻值。如果不能忽略通過電壓表的電流,設電壓表的電阻為 R0 ,圖甲所示電路可以等效為圖乙。設此時的電壓表讀數為 U ,電流表讀數為 I 時, 請你計算Rx的實際阻值。
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