例析电表的选择

广东 黄兴仲

电表的选择常以安全因素与误差因素作为指导，师生往往“见风使舵”，看似有法实则乱法。文章立足现状，提出在电表选择上应以待测元件的额定电压或额定电流为关键词，以数据为要点，以电表至少偏转满偏刻度的1/3以上为基础的思路并举例说明，以供师生参考交流。

一、问题引出

电学实验是高考必考实验，备考点常集中在电表的相关搭配(如电流表内接法或外接法)，然而作为实验的前一环——如何根据需要选择合适的电压表和电流表却少有涉及。教辅书常以如下两个因素为参考：

(1)安全因素：通过电源、电阻和电表的电流不能超过其允许的最大电流；

(2)误差因素：选用电表量程应考虑尽可能减小测量值的相对误差，电压表、电流表在使用时，其指针应偏转到满偏刻度的1/3以上。

然而，学生在实际解答习题过程中，并不能简单依靠以上两点进行有效解题，反倒因为各种各样习题产生的解析而无从下手，因此，对于电表的选择问题，如何提供一个较为有效的路径指引学生则显得尤为重要。

二、思路指引

笔者在查阅相关文献基础上，结合自己的经验，总结出了如下路径，以供广大师生参考借鉴。在电表选择时可基于以下三点进行考虑：

(一)以待测元件的额定电压或额定电流为关键

中学实验一般认为待测元件不能超过其额定电压或额定电流，因此可结合该上限值合理选择电压表或电流表。

(二)以数据为要点

题中所给的数据一般是用正确的电表测量出来的，因此在选择电表时，可通览全文，直接根据数据逆向选择电表，但是必须保证该数据与前面所说实验是相同的原理与器材。

(三)以电表至少偏转到满偏刻度的1/3以上为基础

(1)所选用的电压表必须准确；

(2)电路中其他元件的电阻。

在考虑以上三点过程时，以前两点为优先，再考虑(三)点，并可相互结合使用。同时，在审题时，还应关注电表内阻是否为准确值，如果是，则需考虑此时电表的三个方向：

(1)电压表可看做电流表，电流表可做电压表(电表改装)；

(2)电表扩大量程(需要定值电阻或电阻箱，在审题时应多加注意)；

(3)实现无系统误差处理。

图1

三、示例

【例1】一同学用图2所示电路测量电源的电动势和内阻。所用的实验器材有：

图2

A.待测电源(电动势约为3 V，内阻约为7 Ω)

B.保护电阻R1(阻值为10 Ω)

C.滑动变阻器R(阻值范围为0～20 Ω)

D.电流表A1(0～300 mA，内阻约为2 Ω)

E.电流表A2(0～30 mA，内阻约为20 Ω)

F.电压表V1(0～15 V，内阻约为15 kΩ)

G.电压表V2(0～3 V，内阻约为3 kΩ)

H.开关S，导线若干

(1)按图甲连接电路，测量电源的电动势和内阻，电压表应选用________；电流表应选用________。(均填器材前的字母序号)

(2)用该电路测量出多组数据，作出图3所示的U-I图像，则待测电源电动势E=________V、内阻r=________Ω。(结果均保留两位有效数字)

图3

【答案】(1)G D (2)略

【分析】在做实验题时，应尤其关注全文以及提取审题要点，该题的审题要点包含以下几个：

①实验目的：此题的实验目的是测量电源的电动势与内阻，因此其考查要点在于闭合电路欧姆定律，以及其常规电路图的相关变形；

②实验器材的相关数据：如此处的电源的电动势和内阻估值(电动势和内阻估值是为了验证是否可行)；电表量程与内阻(内阻阻值是否为准确值)等；

③电路图或相关图像。如此处出现的U-I图像说明U与I成一次函数，且提供了相关数据等。

根据审题要点，结合先前的思路指引，可知该电表内阻阻值为估值，因此通过电压表不能得出所通过的电流，电流表不能得出电流表两端的电压。在电表选择时，有以下两种方法可行：

【解法2】由于实验第(2)问所给的数据依然为同一实验，因此，根据思路指引(二)可直接根据所给数据得出所用的电压表应选0～3 V，电流表应选用0～300 mA，即电压表应选G，电流表应选D。

【总结】由解法1和2可知，善用数据可起到异曲同工之效，但数据一般出现在选择电表之后，因此在审题时，应注重通读全文，并抓住审题要点。同时，数据既可能以表格或图像呈现，也可能以单独一两个数据呈现。在某些情况下，还可关注数据的精确度，由电表的精确度推导出所需的电表。此外，应重点关注数据的正确性以及对应的实验目的。

【例2】某物理“科技制作”小组装配一台小直流电动机，其额定电压5 V，额定电流0.5 A，线圈电阻小于1 Ω。已知当电动机两端电压小于1 V时，电动机不会发生转动。为了研究其在一定电压范围内，输出功率与输入电压的关系，请你帮助该小组完成该项工作，已知学校实验室提供的器材有：

直流电源E，电压6 V，内阻不计；

小直流电动机M；

电压表V1，量程0～0.6 V，内阻约3 kΩ；

电压表V2，量程0～6 V，内阻约15 kΩ；

电流表A1，量程0～0.6 A，内阻约1 Ω；

电流表A2，量程0～3 A，内阻约0.5 Ω；

滑动变阻器R，0～10 Ω，2 A；

开关S一只，导线若干。

(1)首先要比较精确地测量电动机的线圈电阻r。根据合理的电路进行测量时，要控制电动机不转动，调节滑动变阻器，使电压表和电流表有合适的示数，电压表应该选________。若电压表的示数为0.1 V，电流表的示数为0.2 A，则内阻r=________Ω，这个结果比真实值偏________(选填“大”或“小”)。

(2)在图4方框中画出研究电动机的输出功率与输入电压的关系的实验电路图。(标明所选器材的符号)

图4

(3)当电压表的示数为4.5 V时，电流表示数如图5所示，此时电动机的输出功率是________W。

图5

【答案】(1)V1略 略

(2)

图6

(3)略

【分析】审题要点①实验目的：第(1)问是要测量电动机的线圈电阻r，第(2)问则研究电动机的输出功率与输入电压的关系；

②实验器材：电压表电流表的内阻均为估值；

③实验数据：在第(1)问和第(3)问分别出现数据。

针对审题要点，以下主要探讨电表的选择问题：

【解法1】(1)要测量电动机的线圈电阻r，则需要控制电动机不转动，根据条件可知此时电动机两端电压要小于1 V，故电压表应选用V1；

(2)要研究电动机的输出功率与输入电压的关系，而电动机的额定电压5 V，额定电流0.5 A，因此电压表应选用V2，电流表选用A1。

【解法2】(1)第(1)问提供的数据为0.1 V，根据思路指引(三)可知在电压表V1和电压表V2之间应选择为V1；

(2)由于第(3)问提供的数据是继承第(2)问电路图基础上测量的数据，因此由电压表的示数为4.5 V可知此时应选用的电压表为V2，根据电动机的额定电流为0.5 A，因此电流表选用A1。

【总结】在同一实验题中出现两个实验目的能增大考查的容量，也是近几年较为常见的题型，因此在做这类题型时，应关注不同实验目的下对应的实验原理，根据题目提供的信息有效选表。

【例3】小鲁同学想要描绘标有“3.8 V，0.3 A”字样小灯泡L的伏安特性曲线，现有E=6 V的电源、最大阻值R=10 Ω的滑动变阻器、开关、导线，可供选择的仪器还有：

A.电压表V1(量程3 V，内阻等于3 kΩ)

B.电压表V2(量程15 V，内阻等于15 kΩ)

C.电流表A1(量程200 mA，内阻等于10 Ω)

D.电流表A2(量程3 A，内阻等于0.1 Ω)

E.定值电阻R1(阻值等于1 Ω)

F.定值电阻R2(阻值等于10 Ω)

G.定值电阻R3(阻值等于1 kΩ)

(1)要求测量数据尽量精确，绘制曲线尽量完整，还需选择的仪器有________。

(2)请在图7的方框中将电路图补充完整。

图7

(3)小鲁同学绘制的小灯泡的伏安特性曲线如图8，其中明显的不妥是________。

图8

【答案】(1)ACFG (2)略 (3)略

【分析】审题要点：

①实验目的：描绘标有“3.8 V，0.3 A”字样小灯泡L的伏安特性曲线，因此滑动变阻器应选用分压式接法；

②实验器材：如小灯泡的规格为“3.8 V，0.3 A”，电压表、电流表的内阻阻值均为确定值，出现定值电阻等；

③实验图像：如图8呈现曲线且有数据，但结合第(3)问是问其中图像反映出来的不妥之处，因此在使用时应结合分析再采用。

【解法1】由于小灯泡的规格为“3.8 V，0.3 A”，但此处电压表有两个，根据思路指引(一)可知，小灯泡最大电压与最大电流为3.8 V与0.3 A，但此处出现两个电压表，分别为量程3 V和量程15 V。根据思路指引(三)，若采用量程15 V的电压表，则至少偏1/3即5 V以上数据较为准确，因此应选择量程3 V的电压表。此外，该量程电压表内阻阻值为准确值，且有定值电阻，可进行扩大量程，与定值电阻R3串联形成量程4 V的电压表，满足3.8 V的测量需求；同理可知电流表应选A1，并与定值电阻R2并联形成量程为0.4 A的电流表。故需要选用ACFG。

【解法2】由于在第(3)中出现图像，且是同一实验情况下测量出来的，但数据是否可行，还需进行验证。如若采用量程3 V的电压表和量程0.2 A的电流表，则可通过定值电阻进行扩大量程，能更好满足3.8 V与0.3 A的测量需求，因此数据是正确的，故需要选用ACFG。