电压表是初中物理测量电压的基本工具,通常有0~3V和0~15V两个量程,在电路中与电流表配合使用可进行电压、电阻、功率等物理量的测量.在具体使用时,巧妙地连接电压表,可以使得测量过程更加简便、有效.
一、巧用电压表测电阻
电阻的测量有多种方法,伏安法是中学物理常用的方法.测量时运用电压表和电流表分别测出待测电阻的电压和电流,再根据欧姆定律计算出阻值.若只有电压表而没有电流表,也可以用电压表和一个定值电阻代替电流表来达到测量的目的,电路如***1所示.
1.闭合开关S,待测电阻RX被短路,测得电压表的示数为U,即为电源电压;
2.再断开开关S,则定值电阻R0与RX相串联,用电压表测出R0两端的电压,若其示数为U0,则
UX=U-U0,IX=I0=.
3.求得待测电阻阻值为RX==R0.
在上述方案中,若将电压表与开关S的位置相互交换,经过步骤1和2,同样也可以求得待测电阻的阻值.若如***2将定值电阻R0换成一个滑动变阻器,也可以求得待测电阻的阻值.请根据这两种新的方案自己试一试,看能不能求出待测电阻的阻值.
二、巧用电压表测功率
测量小灯泡的额定功率是初中物理的一个重要实验,根据公式P=UI,分别运用电压表和电流表测量出电压和电流即可算得功率.若实验中只给出电压表,通过运用电路中的电压关系或开关等实验器材,也可以较方便地达到要求.
例1现有电压表、滑动变阻器、已知阻值的定值电阻R0、额定电压为2.5V的待测灯泡、电池组、开关各一个,导线若干.利用以上器材测量小灯泡的额定功率.要求:(1)画出电路***;(2)写出实验步骤;(3)写出测量小灯泡的额定功率的表达式.
解析利用开关的特殊性,想办法通过开关的通断来测出两个元件的电压.
(1)电路***如***4所示.
(2)实验步骤:
①将开关S拨到a处,调节滑动变阻器,使电压表指针指到2.5V处.
②保持滑动变阻器滑片P的位置不变,将开关S拨到b处,然后观察电压表的示数U,则定值电阻R0上的电压为(U-2.5).
(3)小灯泡的额定功率为P额=.
三、巧用电压表分析电缆的故障
例2一段电缆总长L,因故在电缆某处两根导线之间发生了漏电故障,请运用电压表查出该电缆故障点的位置.
解析电缆的基本结构相当于两条相互平行的导线,导线之间相互绝缘,若某处两根导线之间发生了漏电故障,则该处两导线之间就不再绝缘,相当于两根导线之间连接了一个电阻,其等效电路如***5中EF之间的情形,此时运用一个电源和一只电压表即可查找出故障位置.
方法将电压一定的电源接到电缆的AB端,电压表接到CD端,测得CD间电压为U1,再将电源和电压表的位置交换,测得AB间电压为U2.
设电源的电压为U,故障点E到A点之间的距离为x,导线单位长度的电阻值为r,漏电处两导线间的电阻值为R,则有
U1/R=U/(2xr+R),
U2/R=U/[(2L-2x)r+R],
由上两式可解得
x=(U-U1)U2L/(UU1+UU2-2U1U2).
四、巧用电压表扩大量程
在电压测量中,经常碰到所测电压大于电压表的量程,而中学里往往仪表种类较少,不易找到合适量程的仪表,这时可采用串接电压表的方法,将几个小量程的电压表串接,就能很方便地测出电压的大小.显然待测电压等于各表读数之和.
我们知道,电压表本身实际相当于一个大电阻,且不同的表往往有不同的内阻.对一个多量程电压表,量程越大,内阻则越大.电压表的内阻作为表的主要参数之一,一般均写在表头内,表示为kΩ/V,意为每伏具有的欧姆数.
按***6将几只电压表串接后接至电源的两端,这时各电压表所指示的电压,必与各自的内阻成正比.若几只电压表的内阻相同,量程相同,则指示必相同,这就直接定量地验证了串联电路的电压分配关系.
用上述方法测量高电压时,若采用的几只电压表内阻相同,量程相同,则串接后的量程为几只表量程之和,当几只电压表量程相同而内阻不等时,则应依据接入线路后,通过电压表串接电路的电流不超过内阻较高的那只电压表允许通过的电流为准,来确定总的量程.例如,用两只量程为150V的电压表V1(内阻为1800Ω)和V2(内阻为1500Ω)串接起来测一未知电压,这时的总量程不能误认为是300V,而是
Umax=(1800+1500)×(V)=275(V).
用电压表串接法测高于电压表量程的电压,具有接线简单,读数方便,精度较高等优点.
由上述不难看出,根据并联电路的电流分配关系,用并接电流表法也可以测量高于电流表量程的大电流.请参照上述方法进行分析.
五、巧用电压表显示其他量
当某个非电学量发生变化时,若能够引起电路中的电阻发生变化,从而导致电路中电压表的读数也随之发生改变,此时,我们就可以根据该非电学量与电压表读数之间的对应关系,改造电压表的表盘刻度来直接显示该非电学量的大小.
如***7是某同学自行设计的一个电子秤的原理***,当在托盘中放一物体时,滑动变阻器的滑动触头会随弹簧向下移动到某一位置,于是电压表就指示出相应的示数,从而就可以用电压表的读数来显示物体质量的大小.
如***8是某同学设计的风力测定仪,OC是一个可绕O点转动的金属杆,杆的下端连接着一个受风板,无风时OC是竖直的,风力越强,OC杆偏转的角度越大.AB是一段圆弧形电阻,OC杆与AB接触良好,P是接触点.测风力时,闭合开关S,观察小灯泡的亮度即可以粗略地知道风力的大小,通过电压表的读数,还可以定量地测出风力的大小.
依据上述思路,你能设计出测量液体储油罐中油量多少的油量计吗?请画出其原理***.