例说电学中改装仪表类考题

陈晗

纵观各地的历届中考试题，有关仪表改装的题目时常出现，此类试题由于命题形式比较自由灵活，运用知识比较综合，题目的立意比较特殊，致使不少同学对此类试题感到不很适应，往往面对此类试题不知如何着手去分析和解决。电学仪表的改装类试题多以选择题的形式出现，有时也会以计算题的形式作为压轴题出现在中考试题中。下面我们通过几道仪表改装试题来体验此类问题的分析和解决之道。

一、用电流表或电压表改装为油量表

例1.如图1甲表示一种自动测定油箱内油面高度的油量表（实际上是量程为0～0.6A的电流表改装而成），滑动变阻器R的最大值为60Ω，金属杠杆的右端是滑动变阻器的滑片。从油量表指针所指的刻度，就可以知道油箱内油面的高度。电源电压为24V，R0为定值电阻。

（1）R0的作用是

（2）油箱装满汽油时，油量表示数为最大值（即电流表达到最大值，此时滑动变阻器的触头在某一端），求R0的阻值。

（3）当油箱中的汽油用完时（此时滑动变阻器的触头在另一端），电路中的电流为多少？

（4）改装设计：用电压表代替电流表做油量表，图中的乙图已画出部分电路，请在乙图中完成电路的设计。要求：当油箱中的油用完时，油量表（电压表）的示数为零。

解析：（1）由于电流表不能直接接在电源的两端，当滑动变阻器的滑片滑到阻值最小时，若直接接在电源的两端，电路中的电流就会把电流表烧坏或烧坏电源，所以需要给电流表串联一个定值电阻来保护电流表，同时也就保护了电源。当油箱内油量下降时，浮在液面的浮标下降，在杠杆的作用下使滑动变阻器的阻值变大，串联电路中的总电阻变大。在电源电压一定时，电路中的电流就会变小，由电流表改装成的油量表示数也就相应变小，反映出油箱中油量的多少。（2）当油箱中装满汽油时，浮标将杠杆抬起，使滑动变阻器的滑片处于最下端，滑动变阻器接入电路的电阻最小为0Ω，此时电路中的电流最大，油量表的示数最大，由欧姆定律可以求得此时定值电阻R0=UI=24V0.6A=40Ω。（3）当油箱中的汽油用完后，滑动变阻器接入电路的电阻最大，电路中的电流最小，由欧姆定律可知：I=UR0+R=24V40Ω+60Ω=0.24A。（4）若用电压表代替电流表改装油量表，则需要将电压表与滑动变阻器的部分电阻线并联，才能使电压表随浮标的升降而改变示数的大小。

答案：（1）保护电流表（或保护电源）；小（2）40Ω；（3）0.24A；（4）设计电路如图2所示。

点评：将电流表或电压表改装成油量表，是仪表在实际电路中的具体应用之一，解决此类问题，首要的问题是要明确仪表接入电路后的测量对象，然后依据电路中电流、电压和电阻的特点运用欧姆定律去分析和判断相应仪表的变化。

二、用电流表改装电子秤

例2.如图3甲所示是某电子秤原理图。托盘与弹簧相连，滑片P固定在弹簧上并能随弹簧的伸缩上下滑动，R是一根长x0=10cm的均匀电阻丝。空盘时，滑片P位于R的最上端，称量最大值时，滑片P位于R的最下端。R最大阻值Rm=40Ω，电源电压恒为3V。请完成以下问题解答：

（2）空盘时，闭合开关S，电路电流为0.3A，求R0的阻值；

（3）称量最大质量时，求电路消耗的总功率；

（4）已知该弹簧压缩的长度ΔL与所受压力F的关系如图乙所示。开关S闭合后，在托盘中放入重为G的物体时（G<50N），求R接入电路的阻值（结果用含G、x0、Rm的代数式表示）。

解析：（1）根据电流表和电压表的使用规则，电流表要与被测电路元件串联使用，电压表要与被测电路元件并联使用；由图可知，质量表是串联在电路中的，所以它是由电流表改装而成的，定值电阻在电路中的作用是保护电路；（2）根据题图甲可知，在托盘中不加任何物体时，电路中只有定值电阻R0接入电路，根据欧姆可得，R0=UI=3V0.3A=10Ω；（3）电子秤在称量最大质量时，电阻R0与滑动变阻器的最大电阻串联，所以，电路消耗的总功率P=U2R+R0=（3V）240Ω+10Ω=0.18W；（4）根据弹簧压缩的长度ΔL与所受压力F的关系图，可以得出弹簧长度的变化量ΔL与压力F的比值为0.2cm/N；所以在滑动变阻器的最大阻值Rm和长度x0之间可以得出单位长度的电阻值是Rm/x0，由此可知当托盘中放入重力为G的物体时，滑动变阻器接入电路的阻值是GRm/（5x0）。

答案：（1）电流，保护电路；（2）10Ω；（3）0.18W；（4）GRm/（5x0）。

点评：本题将弹簧被压缩受力而变短与电流表示数的变化巧妙地结合在一起，考查学生对欧姆定律的理解和运用能力。解答本题需要根据电路的特点进行综合分析和定量计算，结合图象来判断不同物理量之间的关系。

例3.某兴趣小组制作了一个测量质量的电子秤，其原理如图4甲所示，它主要由四部分构成：托板、压力杠杆OAB、压敏电阻R（电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻）和显示重力大小的仪表A（实质是量程为0～0.6A的电流表）。其中OA长5cm，AB长20cm，电源电压恒为9V。压敏电阻R的阻值与所受压力的关系如图乙所示（托板和杠杆组件的质量可以忽略不计，g取10N/kg）。求：

（1）托板上放某一重物时，电流表示数为0.2A，电子秤在1min内消耗的电能；

（2）托板上没有放置物体时，电路中的电流；

（3）为保护电流表不被损坏，电子秤能测量的最大质量。

解析：（1）利用电能计算公式W=UIt即可计算出消耗的电能；电路中总电压U=9V，电流I=0.2A，电子秤在1min内消耗的电能W=UIt=9V×0.2A×1×60s=108J；（2）托板空载时，通过图象信息可以得出电阻大小，利用欧姆定律可以求电流；由乙图可知，托板上没有放置物体即压敏电阻受到的压力为0时，压敏电阻R的阻值R=100Ω，此时电路中电流I=UR=9V100Ω=0.09A；（3）由于电路中的电流最大只能是0.6A，此时压敏电阻的最小阻值为R=UI最大=9V0.6A=15Ω，根据图象知道压力传感器R表面能承受的最大压力为150N，再根据杠杆的平衡条件求出该秤的最大称量值：F·lOB=FA·lOA，即：150N×20cm=FA×5cm；可以求得托板对A点的最大压力FA=600N；电子秤能测量的最大质量m=Gg=FAg=600N10N/kg=60kg。

答案：（1）108J；（2）0.09A；（3）60kg。

点评：本题通过压敏电阻将电学知识与力学知识结合在一起，考查了杠杆平衡条件的应用和欧姆定律的计算。解题的关键是能否将相关知识进行灵活运用，从图象信息中解读出压力传感器R的电阻与所受压力的关系。

三、用电流表或电压表改装成身高测量仪

例4.小梦为体育测试设计了一个电子身高测量仪。如图5所示的四个电路中，R0是定值电阻，R是滑动变阻器，电源电压不变，滑动变阻器的滑片会随身高上下平移。能够实现身高越高，电压表或电流表示数越大的电路是（ ）

解析：题目所给各图中，A图两电阻串联，电流表测量电路中的电流，身高越高R接入电路的电阻变大，电路中的总电阻变大，根据欧姆定律可知电路中的电流变小，即电流表示数变小，故选项A不符合题意；B图中两电阻串联，电压表测R两端的电压，身高越高R接入电路的电阻越大，电路中的总电阻变大，根据串联电路分压的特点可知，滑动变阻器分得的电压变大，即电压表的示数变大，故选项B符合题意；C图中两电阻串联，电压表测R两端的电压，身高越高R接入电路的电阻越小，电路中的总电阻变小，根据串联电路分压的特点可知，滑动变阻器分得的电压变小，即电压表的示数变小，故选项C不符合题意；D图中两电阻并联，电流表测量定值电阻所在支路电流，由于并联电路中各支路互不影响，因此通过定值电阻的电流不变，与身高无关，故选项D不符合题意。

答案：B

点评：解答本题需要先识别电路，然后根据身高的变化，判断滑动变阻器接入电路的阻值的变化，再根据欧姆定律、串联电路分压的特点以及并联电路电流的规律判断电压表或电流表示数的变化。

四、电表与传感器结合改装成酒精测试仪

例5.如图6甲是呼气式酒精测试仪的电路原理图，R1为气敏电阻，它的阻值随酒精气体浓度的变化曲线如图乙所示，R2为定值电阻，电源电压保持不变。检测时，驾驶员呼出的酒精气体浓度越大，则（ ）

图6A.测试仪中电压表的示数越大

B.测试仪中电流表的示数越小

C.电路消耗的总功率越小

D.电压表与电流表示数的比值越大

解析：气敏电阻R1与定值电阻R2组成串联电路，从气敏电阻的阻值随酒精浓度变化曲线可以看出，酒精的浓度越大，气敏电阻的阻值越小，电路中的总电阻也就越小，在电源电压保持不变的情况下，电流表的示数就越大，定值电阻两端分配的电压也就越大。电路中消耗的总功率变大，电压表的示数与电流表的示数之比即为定值电阻的阻值大小是一个不变的量。

答案：A

点评：本题是将电压表改装为酒精测试仪的问题。分析理解的首要问题是要明确测试时由哪个仪表来体现所要测试的物理量，同时结合图象对气敏电阻的电阻特性要有正确的分析和判断。