电流表改装“六步曲”

陕西 邢彦君

将小量程电流表改装成大量程电流表或电压表，其程序可概括为一观、二测、三定、四算、五改、六校。

一、改装程序

观：观察小量程电流表的表盘，或小量程电流表的规格说明文字，读出小量程电流表的量程，即它的满偏电流Ig。

测：精确测出小量程电流表的电阻。

精确测量小量程电流表的电阻Rg，有三种常用方法。

一是半偏法，原理与步骤如下：

(1)按图1所示连接电路，闭合开关S1、断开S2，调节滑动变阻器R1，使电流表指针满偏，即电路中的总电流为Ig。

图1

测量的关键，一是保证电流表满偏时R1接入电路的电阻远远大于电流表电阻。这样，电阻箱并联接入前后，电路的总电阻几乎不变化，从而使总电流几乎不变。二是电源的电动势应较大，使R1接入电路的电阻很大时电路中的总电流能达到电流表的满偏值。三是调节电阻箱R2时，R1接入电路的电阻要保持不变。

R1可以是滑动变阻器，也可以是电阻箱，只要最大电阻远远大于电流表电阻即可，但R2必须是电阻箱，且精度要高，以保证其电阻的精微调节。

二是等效法或替代法，原理与步骤如下：

(1)如图2所示，连接电路，闭合开关S1，将开关S2合向1，调节滑动变阻器R，使标准电流表有一较大示数(满偏或接近满偏)，记下此示数I。

图2

(2)闭合开关S1，将开关S2合向2，保持滑动变阻器R接入电路电阻不变，调节电阻箱R1的电阻，使标准电流表的示数恢复为I，读出此时R1的电阻。由闭合电路欧姆定律可知，待测电流表的电阻Rg=R1。

由于电流表指针偏转角度越大，电流的测量误差越小，为保证等效替代前后通过标准电流表的电流相等，实验中应使电路中的电流较大，一般可等于或接近标准电流表的满偏值。

三是电桥法，其原理与步骤如下：

图3

【例1】某同学利用如图4甲所示的电路测量一微安表(量程为100 μA，内阻大约为2 500 Ω)的内阻。可使用的器材有：两个滑动变阻器R1，R2(其中一个阻值为20 Ω，另一个阻值为2 000 Ω)；电阻箱Rz(最大阻值为99 999.9 Ω)；电源E(电动势约为1.5 V)；单刀双掷开关S1和S2。C、D分别为两个滑动变阻器的滑片。

(1)按原理图4甲将图4乙中的实物连线。

(2)完成下列填空：

①R1的阻值为 Ω(填“20”或“2 000”)。

②为了保护微安表，开始时将R1的滑片C滑到接近图4甲中的滑动变阻器的 (填“左”或“右”)端对应的位置；将R2的滑片D置于中间位置附近。

③将电阻箱Rz的阻值置于2 500.0 Ω，接通S1。将R1的滑片置于适当位置，再反复调节R2的滑片D的位置，最终使得接通S2前后，微安表的示数保持不变，这说明S2接通前B与D所在位置的电势 (填“相等”或“不相等”)。

④将电阻箱Rz和微安表位置对调，其他条件保持不变，发现将Rz的阻值置于2 601.0 Ω时，在接通S2前后，微安表的示数也保持不变。待测微安表的内阻为 Ω(结果保留到个位)。

(3)写出一条提高测量微安表内阻精度的建议： 。

【解析】(1)实物连接如答图5所示。

(3)电流表测电流时，指针偏转角度越大，测量误差越小。因此，为使前后两次流过微安表的电流真正相等，实验中应使电流表的指针示数较大或接近满偏。

【答案】(1)如图5所示 (2)①20 ②左 ③相等 ④2 550 (3)使电流表的指针示数较大

图5

【点评】电流表、电压表使用时，指针偏转角度越大，测量误差越小。

定：确定改装成的电压表、电流表的量程。

依据实验中测量电路两端的最大电压，流过的最大电流，可确定改装后电压表的量程U、电流表的量程I。

算：算出应给小量程电流表并联的分流电阻或串联的分压电阻的电阻值。

改：给小量程电流表并联接入分流电阻R或串联接入分压电阻R(或将电阻箱的阻值调至等于R后与小量程电流表并联或串联)，并改变原电流表的表盘刻度值。

校：校准改装成的电流表或电压表的刻度

将改装成的电流表(电压表)与标准电流表(标准电压表)串联(并联)接入电路，调节电路中的电流(电压)从零开始增大，观察改装成的电流表(电压表)的示数与标准电流表(电压表)的示数差异，从而调整分流电阻(分压电阻)的电阻大小，使得改装成的电流表(电压表)与标准电流表(标准电压表)总有相同的示数。

二、改装示例

【例2】某同学要把一个量程为200 μA的直流电流表G改装成量程为4 V的直流电压表。

(1)他按图6所示电路，用半偏法测定电流表G的内电阻Rg。为使Rg的测量值尽量准确，在以下器材中，电源E应选用 ，R1应选用 ，R2应选用 (填器材前的字母)。

图6

A．电源(电动势1.5 V)

B．电源(电动势6 V)

C．电阻箱(0～999.9 Ω)

D．滑动变阻器(0～500 Ω)

E．滑动变阻器(0～10 kΩ)

(2)该同学在开关断开情况下，检查电路连接无误后，将R1、R2的阻值调至最大。后续的实验操作步骤依次是 ， ， ， ，最后记录R2的阻值并整理好器材。(请按合理的实验顺序，选填下列步骤前的字母)

A．闭合S1

B．闭合S2

C．调节R1的阻值，使电流表指针偏转到满刻度

D．调节R1的阻值，使电流表指针偏转到满刻度的一半

E．调节R2的阻值，使电流表指针偏转到满刻度的一半

F．调节R2的阻值，使电流表指针偏转到满刻度

(3)若电流表半偏时电阻箱的R2的阻值为300.0 Ω，则被测电流表G的内阻Rg的测量值为 Ω，该测量值 (填“略大于”“略小于”或“等于”)真实值。

(4)给电流表G (填“串”或“并”)联一个阻值为 Ω的电阻，就可以将该电流表G改装为量程4 V的电压表。

(5)对改装成的电压表用标准电压表V0进行校对，请完成图7所示校对电路。

图7

【解析】(1)实验中R2接入电路的电阻应能读出，必须是电阻箱，应选C。实验要求电阻箱与电流表并联前后，干路总电流保持不变，为此，应该使电路的总电阻主要由与电流表串联的滑动变阻器接入电路的电阻决定，这就要求当电流表满偏时滑动变阻器接入电路的电阻远远大于电流表的电阻，R1应选E。这样选择后，电路的总电阻很大，为使电路中的总电流能达到电流表满偏值，电源的电动势应该较大些，电源应选B。

(2)测电流表电阻实验的操作步骤是ACBE。

(3)当调节电阻箱使电流表半偏时，干路电流几乎未变，电阻箱与电流表两并联支路的电流相等，则两支路电阻相等。此时的R2的阻值为300.0 Ω，则被测电流表G的电阻Rg的测量值为300.0 Ω。电阻箱并入后，电路的总电阻减小了，干路电流增大了，电流表半偏时，流过电阻箱的电流大于流过电流表的电流，此时电阻箱接入的电阻小于电流表的电阻。因此，该测量值略小于真实值。

(4)将电流表改装成量程U=4 V电压表，设应串联接入分压电阻R，由欧姆定律及串联电路分压关系有U=Ig(Rg+R)，代入数据解得R=19.7 kΩ=1.97×104Ω。

(5)校对改装成的电压表，将电压表与标准电压表并联，使两端的电压从零开始变化，观察两表示数的差值，确定对改装时串接给电流表的分压电阻增大些还是减小些。所以滑动变阻器应采用分压式接法，校对电路如图8所示。

图8

【答案】(1)BEC (2)ACBE (3)300 略小于 (4)串 1.97×104(5)如图8所示

【点评】对改装成的电压表、电流表校对时，一般应使其示数从零逐渐增大，逐次校对，控制其电压变化的滑动变阻器应采用分压式接法。

【例3】图9甲为某同学改装和校准毫安表的电路图，其中虚线框内是毫安表的改装电路。

图9

(1)已知毫安表表头的内阻为100 Ω，满偏电流为1 mA；R1和R2为阻值固定的电阻。若使用a和b两个接线柱，电表量程为3 mA；若使用a和c两个接线柱，电表量程为10 mA。由题给条件和数据，可求出R1= Ω，R2= Ω。

(2)现用一量程为3 mA、内阻为150 Ω的标准电流表对改装电表的3 mA挡进行校准，校准时需选取的刻度为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mA。电池的电动势为1.5 V，内阻忽略不计；定值电阻R0有两种规格，阻值分别为300 Ω和1 000 Ω；滑动变阻器R有两种规格，最大阻值分别为750 Ω和3 000 Ω。则R0应选用阻值为 Ω的电阻，R应选用最大阻值为 Ω的滑动变阻器。

(3)若电阻R1和R2中有一个因损坏而阻值变为无穷大，利用图9乙的电路可以判断出损坏的电阻。图9乙中的R′为保护电阻，虚线框内未画出的电路即为图9甲虚线框内的电路。则图中的d点应和接线柱 (填“b”或“c”)相连。判断依据是 。

【解析】(1)使用a、b两个接线柱时是量程I1=3 mA的电流表，对a、b间电路由并联电路的电压关系有IgRg=(I1-Ig)(R1+R2)，使用a、c两个接线柱时是量程I2=10 mA的电流表，对a、c间电路同理有Ig(Rg+R2)=(I2-Ig)R1。代入数据解得R1=15 Ω，R2=35 Ω。

(3)电阻R1和R2中有一个因损坏而阻值变为无穷大，该电阻处将断路。检测时若d接b，a、d间电路与R1和R2通断无关，电流表中的电流不会因电阻断路而中断，电流表总有示数。d接c时，若R2损坏，闭合开关后电流表示数为零；若R1损坏则闭合开关后电流表示数不为零。因此，图中的d点应和接线柱c相连，依据开关闭合后电流表示数是否为零，可判断出哪个电阻损坏。

【答案】(1)15 35 (2)300 3 000 (3)c