高中 | 电表的改装 题目答案及解析

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选修3-1

第二章 恒定电流

2.4 串联电路和并联电路

电表的改装

小明想将满偏电流为$300\mu A$、内阻未知的电流表改装成简易多用表,并用改装的多用表探索黑箱内的电路结构。

利用如图$1$所示的电路测量电流表$\rm G$的内阻:先断开$S_{2}$、闭合$S_{1}$,移动滑动变阻器的滑片,使电流表的指针满偏;再闭合开关$\rm S_{2}$,保持滑动变阻器的滑片不动,调节电阻箱,使电流表的指针半偏,读出此时电阻箱的阻值为$200\;\rm \Omega$,则电流表$\rm G$内阻的测量值为                 $\;\rm \Omega$

[["$200\\;\\rm \\Omega$"]]

可以认为总电流不变,则闭合开关$\rm S$$_{2}$后,通过 $R$的电流为$I' = I_{g} - \dfrac{1}{2}I_{g} = \dfrac{1}{2}I_{g}$

由欧姆定律可得,电流表内阻的测量值为$R_{g} = \dfrac{I'R}{\dfrac{1}{2}I_{g}} = R = 200\;\rm \Omega$

将电流表$\rm G$改装成如图$2$所示的多用表,当选择开关接                 (选填“$1$”或“$2$”)时,多用表为大量程的电流表。

[["$1$"]]

当选择开关接$1$时,电流表量程为$I_{1}= I_{g} + \dfrac{I_{g}(R_{g} + R_{2})}{R_{1}}$

当选择开关接$2$时,电流表量程为$I_{2}= I_{g} + \dfrac{I_{g}R_{g}}{R_{1} + R_{2}}$

因此$I_{1}\gt I_{2}$,所以当选择开关接$1$时,多用表为大量程的电流表。

一般仪表的正、负极通常用红、黑色区分,图$2$中多用表的表笔$B$                 (选填“红”或“黑”)表笔。

[["红"]]

由于表笔$A$与内部电池的“$+$”极相连,内部电流从$A$表笔流出,根据“红进黑出”规则可知多用表的表笔$B$为红表笔。

在图$3$中,$A$$B$$C$为黑箱(即看不见内部电路结构的一个盒子)上的三个接点,两个接点间最多只能接一个电学元件,已知盒内没有电源,为探明内部结构,小明用改装表的欧姆挡进行了测量,结果如下:

$A$$B$间正、反向电阻完全相同

②黑表笔接$A$点、红表笔接$C$点,有电阻;反接后阻值很大

③黑表笔接$B$点、红表笔接$C$点,有电阻,但阻值比第②步测得的阻值大;反接后阻值很大

请根据以上测量结果,在图$3$上画出黑箱内部元件的电路图。

[["

见解析

"]]

使用欧姆挡进行测量时注意黑表笔是和内部电源的正极相连的,可知:在测量$AB$之间的电阻时,对两个接线柱进行正反测量,其阻值相同,说明$AB$之间接有一个定值电阻;黑表笔接$A$点、红表笔接$C$点,有电阻;反接后阻值很大,说明$AC$之间有二极管,而且$A$应该接二极管的正极;黑表笔接$B$点、红表笔接$C$点,有电阻,但阻值比第②步测得的阻值大;反接后阻值很大,说明了$BAC$之间串联了二极管、电阻两个元件,反接阻值很大,则$BC$间断路,故黑箱内元件的连接如图所示:

长期使用后,电表内的电池电动势有所下降,小明认为:只要欧姆挡仍能调零,电阻的测量值就是准确的,你是否同意他的观点,并简要说明理由。

[["

见解析

"]]

当电源电动势$E$变小、内阻变大时,欧姆表需重新调零,由于满偏电流$I_{g}$不变,欧姆调零时欧姆表内阻$R_{内} = \dfrac{E}{I_{g}}$$R_{内}$变小,用欧姆表测电阻时$I = \dfrac{E}{R_{x} + R_{内}} = \dfrac{I_{g}R_{g}}{R_{x} + R_{内}} = \dfrac{I_{g}}{1 + \dfrac{R_{x}}{R_{内}}}$

电池电动势下降后,指针满偏时回路总电阻减小,电表中值电阻减小,而面板刻度没有调整,电阻的测量值偏大。

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