核心素養視域下歐姆表的原理剖析及拓展應用①

施銀輝

(福建省莆田第五中學,福建 莆田 351100)

1 引言

歐姆表的基本構造與工作原理,是魯科版高中物理必修第三冊第四章“閉合電路歐姆定律與科學用電”的重要內容,[1]也是閉合電路歐姆定律相關知識的綜合應用。通過閉合電路歐姆定律的理論推導,讓學生掌握用電流表改裝成歐姆表的設計思想,體驗歐姆表的制作過程,旨在進一步提高學生對物理觀念的領悟能力,提升學生運用所學知識解決實際問題的能力。[2]本文以歐姆表的構造與原理為載體,挖掘物理本質,使學生突破物理解題思維的桎梏。

2 歐姆表的構造與原理

2.1 并聯結構歐姆表

圖1甲為并聯結構歐姆表的原理圖,虛線框內的部分為其內部結構電路圖,并聯結構歐姆表由電池、電流表和可調電阻組成。

圖1

若取Rg=100 Ω,當R+r=0.1Rg時得到如圖2中a曲線,當R+r=Rg時得到如圖2中b曲線,當R+r=10Rg時得到如圖2中c曲線,而當R+r大于100Rg時得到的圖像則趨近于圖2中d曲線。

由圖2可知每個電流值對應一個電阻值,在電流表的表盤上將電流刻度 “改換”成電阻刻度,就將電流表改裝成了歐姆表。在電流刻度值為0的位置標上0 Ω,而在電流刻度值為滿偏的位置標為無窮大,并在其他位置標上相應的電阻刻度值。由圖2可知并聯結構歐姆表表盤刻度右邊密左邊疏,零刻度在左邊。

并聯結構的歐姆表在未接被測電阻或不使用時,可將圖1中的開關斷開,即把開關打到OFF擋,或者把電池從歐姆表中取出。

2.2 串聯結構歐姆表

如圖3甲所示是串聯結構歐姆表的原理圖,此歐姆表是由電池、電流表和可調電阻組成的,虛線框內的部分電路為歐姆表內部結構電路圖。歐姆表內阻R內=Rg+r+R,其中r為電源內阻,Rg為電流表內阻,R為可調電阻。

甲

乙

圖4

可見每個阻值對應一個電流值,在電流表的表盤上將電流刻度 “改換”成電阻刻度,這就將電流表改裝成了歐姆表。由圖4可知,串聯結構歐姆表表盤刻度左邊密右邊疏,零刻度在右邊。[4]

歐姆表內電阻值不同,同一偏轉角度所對應的阻值就不同。[5]可見,歐姆表擋位是由其內電阻值決定的。所以要改變歐姆表的擋位,只需改變歐姆表內阻即可。若歐姆表的內阻變為原來的10倍,則指針所指的刻度值也就變為了原來的10倍,即表盤上所有的讀數都變為原來的10倍,這樣就實現了擋位的轉換。

圖5

3 拓展應用

例：某興趣小組利用電池、毫安表(內阻Rg為90 Ω)和滑動變阻器改裝成了一個“×10”倍率的歐姆表,其原理如圖3甲所示,表盤上電阻刻度值未標出。將兩表筆短接,調節滑動變阻器使毫安表指針滿偏后,進行了如下操作:

(1) 將阻值為200 Ω的電阻接在兩表筆之間,毫安表示數為7.5 mA;再將阻值為400 Ω的電阻接在兩表筆之間,毫安表示數為5.0 mA。計算得電池的電動勢E=,改裝后的歐姆表內阻R內=,毫安表的滿偏電流Ig=。

(2) 在電流刻度值為滿偏的位置標上0 Ω,在電流刻度值為2.5 mA的位置標上Ω,并在其他位置標上相應的電阻刻度值。

(3) 若將該歐姆表改裝成“×1”的倍率,則需要將毫安表(填“串聯”或“并聯”)一個阻值為Ω的定值電阻,再進行歐姆表調零。

(4) 該歐姆表用久后,電池老化導致電動勢變小,內阻變大,但仍可以進行歐姆表調零,測得的阻值(填“大于”“等于”或“小于”)真實值。

(5) 為了減小因電池老化而產生的誤差,該小組用一電壓表對原電阻刻度值進行修正。將歐姆表的兩表筆短接,調節R,使指針滿偏;再將電壓表接在兩表筆之間,此時電壓表示數為1.74 V,歐姆表示數為300 Ω,則電壓表的內阻為Ω,原電阻刻度值1 200 Ω應修改為Ω。

點評：求解本題的關鍵是要知道歐姆表的內部結構和歐姆表的總內阻等于表盤的中值電阻。通過實例分析,使學生明白貫穿歐姆表問題解決的主線是電流。抓住電流這個關鍵要素,去分析歐姆表換擋和校準問題,讓學生在解決實際問題的過程中加深對閉合電路歐姆定律的理解。

4 結語

本文介紹了并聯結構歐姆表和串聯結構歐姆表,并詳細分析了實際應用中較常見的串聯結構歐姆表的原理。在歐姆表設計中探討表盤刻度的問題,讓學生體驗了轉換研究對象的思維方法;在分析歐姆表校準過程中使學生習得以“不變”應“萬變”的思維方法,培養學生的科學思維和科學探究能力。結合例題的分析讓學生從物理原理入手,弄清與歐姆表相關問題的來龍去脈,抓住其物理本質,培養學生分析問題、解決問題的能力,提升他們的核心素養。