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例题精讲 · 第 00263 题 · 自编欧姆挡两题·先把内阻算出来,再看刻度怎么非线性

欧姆挡的刻度为什么不均匀、换挡为什么必须重新调零,答案都在一个式子里:I = E/(R内 + Rx),而 R内 = E/I满。中值电阻就等于欧姆挡内阻,指针半偏时被测电阻恰好等于内阻。本文用一组自编电表参数配两道题,完整演示内阻与中值电阻计算、非线性刻度的函数关系、电池老化后的读数偏差、以及用不同倍率测二极管为何读数不同;含可回代的数据表与四类操作失分点。参数均为原创自编示意,不代表真实仪表规格。

00263题号全 1000 篇 · 第 第44轮 / 第44册 轮
方向物理·实验六向之一
题型自编仿真题逐题精讲 · 采分点拆解

题目性质:自编仿真题——题目、材料、选项、数据与情境均为按课程标准与联招常见考点独立编写的原创仿真题,非真题原文,未取自任何题库、教辅或试卷;解析与采分点为教研整理,非官方评分标准。

例题精讲 · 物理实验

一、考点定位与做题顺序

欧姆挡内部可等效为电池 E、表头与调零电阻串联成一个内阻 R内。短接表笔调零时 Rx = 0,电流满偏:I满 = E/R内,故 R内 = E/I满。接入 Rx 后 I = E/(R内 + Rx),指针偏转比例 I/I满 = R内/(R内 + Rx)——不是线性的,所以欧姆刻度右疏左密(0 Ω 在满偏端、∞ 在零偏端)。

中值电阻:当 I = I满/2 时,Rx = R内,刻度盘正中央标的那个数乘倍率,就是该挡内阻。换倍率实质是换 R内;电池用旧后 E 变化,必须重新短接调零重新标定 R内。下面参数为自编示意:×10 挡,刻度盘中值标「15」,电池 E = 1.50 V,调零后满偏电流 I满 = 10.0 mA。

二、逐题精讲

题1

题1 内阻、中值电阻与非线性刻度

(1) 求该 ×10 挡的内阻 R内 与中值电阻,并说明二者为何相等。(2) 分别计算 Rx = 0、50、150、300、600 Ω 时的 I/I满,据此说明刻度为什么不均匀;若指针指在满偏的 3/4 处,求此时 Rx。

解析

(1) R内 = E/I满 = 1.50 V / 0.0100 A = 150 Ω。刻度盘中值标「15」,×10 挡即 15 × 10 = 150 Ω,与 R内 相等。
为何相等:中值即半偏,I = I满/2 = E/(R内+Rx),而 I满 = E/R内,两式相比得 R内 + Rx = 2R内 → Rx = R内。所以中值电阻就是该挡内阻,这也是用中值电阻快速估算欧姆挡内阻的常用办法。
倍率含义:×10 不是把内阻乘 10,而是刻度读数乘 10;换到 ×100 挡时内阻变为 1500 Ω(中值标 15 × 100),需重新调零。

(2) 由 I/I满 = 150/(150 + Rx):
Rx=0 → 150/150 = 1.000(满偏,刻度 0 Ω)
50 Ω → 150/200 = 0.750
150 Ω → 150/300 = 0.500(半偏,中值)
300 Ω → 150/450 = 0.3333
600 Ω → 150/750 = 0.200
∞ → 0(零偏,刻度 ∞)

刻度不均匀的理由:I/I满 是 Rx 的反比例型函数而非线性函数。等间隔的电阻变化引起的偏转变化越来越小:0→50 Ω 偏转降 0.250,而 300→600 Ω 偏转只降 0.133;反过来说,同样的偏转间隔在右侧对应小电阻、左侧对应大电阻,故刻度右端(0 Ω 侧)稀疏、左端(∞ 侧)密集。这也是读数要选指针落在中段的倍率的原因:中段每小格代表的电阻最小、相对读数误差最低。

3/4 满偏处:150/(150+Rx) = 0.75 → 150 + Rx = 200 → Rx = 50 Ω,与上表一致 ✓。可再反查:0.75 满偏对应刻度「5」,×10 → 50 Ω ✓。

答案 (1) R内=E/I满=150 Ω,中值电阻 15×10=150 Ω,二者相等(半偏条件解出 Rx=R内)。(2) 偏转比依次为 1.000/0.750/0.500/0.3333/0.200;反比例关系使刻度右疏左密;3/4 满偏处 Rx=50 Ω。

采分点 R内=150 Ω 与计算式 1 分;中值 15×10=150 Ω 1 分;由半偏条件推出 Rx=R内 1 分;说明倍率是刻度乘数不是内阻乘数 1 分;五个偏转比各 0.5 分(合计 2 分);用「等电阻增量引起偏转增量递减」说明非线性 1 分;指出右疏左密与「中段读数最准」1 分;3/4 满偏 Rx=50 Ω 与反查刻度 1 分。

易错点 把 ×10 理解成内阻乘 10(写成 1500 Ω);用 I=E/Rx 而漏掉串联的 R内;认为欧姆刻度均匀、直接按格数内插;把 0 Ω 说成在左端;3/4 满偏时写成 Rx=112.5 Ω(误用线性);换挡后不提重新调零。

题2

题2 电池老化、换挡调零与测二极管

(1) 电池用旧后电动势降为 E′ = 1.40 V(内阻变化忽略)。重新短接调零后,求新的 R内′;若仍按原刻度(中值 150 Ω)读数,当被测 Rx = 140 Ω 时指针在什么位置、读数是多少?相对误差多大?说明「重新调零」能否消除这一误差。(2) 用 ×10 挡与 ×100 挡分别测同一只二极管的正向电阻,两次读数不同,是否说明二极管坏了?解释原因;并说明测正反向时应如何选挡与读判。

解析

(1) 调零的含义是重新使短接时满偏:I满 仍为 10.0 mA(表头满偏电流不变),故 R内′ = E′/I满 = 1.40/0.0100 = 140 Ω(调零电阻被调小了 10 Ω)。
接入 Rx = 140 Ω 时 I/I满 = 140/(140+140) = 0.500,即指针恰在半偏/中值处。但原刻度中值标的是 15(×10 → 150 Ω),于是读成 150 Ω,而真值 140 Ω,相对误差 = (150−140)/140 = +7.14%(读数偏大)。
调零能否消除:不能。调零只保证「Rx=0 时指针满偏」这一个点正确,它把 R内 从 150 Ω 改成 140 Ω,整条 I–Rx 曲线的形状随之变了,而刻度盘是按旧内阻印的,除零点外各点都会偏。也就是说:调零修的是零点,修不了标定曲线;电池老化超出一定范围应更换电池,而不是靠调零硬撑。
补充校验:若不重新调零(仍用 R内=150 Ω、E′=1.40 V),短接时 I = 1.40/150 = 9.33 mA < 10.0 mA,指针到不了满偏,连 0 Ω 都读不准——这从反面说明调零是必要但非充分的。

(2) 不说明二极管坏了。二极管的正向电阻不是定值,它随通过它的电流变化(伏安特性非线性,见相关篇目 00173)。而不同倍率挡的 R内 不同(×10 为 150 Ω、×100 为 1500 Ω),接入同一二极管时回路电流 I = E/(R内+Rx) 不同,工作点落在伏安曲线的不同位置,于是等效电阻不同、读数自然不同。一般 R内 小的挡给出的电流大、二极管导通更充分,读出的正向电阻偏小。
操作与判读:① 测前每换一次倍率都要重新短接调零;② 选挡使指针落在刻度中段(约 0.2–0.8 满偏)再读数,读数=刻度值 × 倍率;③ 判断好坏看正反向读数之比:正向为几百至几千欧量级(示意)、反向接近 ∞,说明单向导电性正常;若正反向都接近 0(击穿短路)或都接近 ∞(内部断路),才判损坏;④ 注意欧姆挡内部电池正极接黑表笔(与电流挡/电压挡的红表笔极性相反),测二极管时黑表笔接二极管正极才导通,接反则读到很大电阻——极性接反是本题最常见的误判来源。
数值示意:设 ×10 挡读得刻度 30(即 300 Ω),×100 挡读得刻度 12(即 1200 Ω),两者都是同一只管子的不同工作点下的等效电阻,不构成矛盾;真正的判据是反向读数是否远大于正向。

答案 (1) 调零后 R内′=140 Ω;Rx=140 Ω 时半偏,按旧刻度读成 150 Ω,偏大 +7.14%;调零只修零点,改不了整条标定曲线,不能消除误差(不调零则连满偏都到不了)。(2) 不是坏了:二极管正向电阻随电流变化,不同倍率内阻不同→工作点不同→读数不同;须每换挡调零、指针取中段、看正反向比值,并记住黑表笔接内部电池正极。

采分点 R内′=E′/I满=140 Ω 1 分;半偏与读成 150 Ω 各 1 分;+7.14% 误差 1 分;说明调零只修零点不修标定曲线 1 分;不调零则 9.33 mA 到不了满偏 1 分;指出二极管非线性与不同工作点 1 分;每换挡调零/取中段/看正反向比值 各 1 分;黑表笔为内部电池正极 1 分。

易错点 认为重新调零后读数就准了;算新内阻时把 I满 也随 E 改(写成 9.33 mA 当新满偏);把误差方向说成偏小;把两次不同读数判为二极管损坏;忘记欧姆挡黑表笔是电池正极,把极性接反的读数当成管子击穿;换倍率后不调零直接读。

三、规律小结与对照表

量/操作关系式自编示意结果要点
内阻R内=E/I满1.50/0.0100=150 Ω短接调零即满偏
中值电阻半偏 → Rx=R内15×10=150 Ω倍率是刻度乘数
偏转比I/I满=R内/(R内+Rx)0/50/150/300/600Ω→1/.75/.5/.333/.2反比例,非线性
刻度疏密d(I/I满)/dRx=−R内/(R内+Rx)²右侧稀疏、左侧密集读数取中段
3/4 满偏Rx=R内(1/f−1)150(4/3−1)=50 Ω刻度 5×10
电池老化R内′=E′/I满1.40/0.0100=140 Ω调零电阻被调小
旧刻度读数半偏仍读 150 Ω真值 140 Ω,+7.14%调零只修零点
不调零I=1.40/150=9.33 mA到不了满偏零点也不准
测二极管工作点随 R内 变×10 与 ×100 读数不同非定值电阻,非故障
极性黑表笔=内部电池正极黑接二极管正极才导通接反读到很大电阻

欧姆挡的所有「怪现象」都由 I = E/(R内+Rx) 这一条解释:中值电阻等于内阻,是因为半偏时 Rx=R内;刻度右疏左密,是因为偏转比是反比例函数;换挡要调零,是因为 R内 变了;电池老化后调零仍读偏,是因为调零只修零点、修不了整条曲线;二极管两个挡读数不同,是因为它本来就不是定值电阻。记住「黑表笔接内部电池正极」,正反向判读就不会反。参数与读数均为自编示意,不代表真实仪表规格或器件参数。

四、自测清单

  • □ 先由 R内=E/I满 算出内阻,中值电阻=内阻;
  • □ 倍率是「刻度值×倍数」,不是把内阻乘倍数;
  • □ 偏转比用 R内/(R内+Rx),别用 I=E/Rx;
  • □ 每换一次倍率都重新短接调零,指针取刻度中段;
  • □ 电池老化调零后仍会系统性读偏,超出范围应换电池;
  • □ 测二极管记住黑表笔是内部电池正极,判据看正反向比值。
编写说明与学科依据

本文为备考教研体例稿:题目系按课程标准与联招常见考点范围编写的仿真练习题,非真题原文;文中案例为示意内容,非真实记录;文末栏目为学科依据说明,非逐条引文。涉及报考、录取、证件、居留、资助等事项,一律以当年官方文件与学校正式通知为准。

学科依据:

  • 人教版高中教材(物理):恒定电流、热学、光学、声学与测量误差、数据处理相关章节
  • 《普通高等学校联合招收华侨港澳台学生考试大纲(物理科)》:相关考点考查范围(仅作命题范围参照,本文题目未与真题逐题比对)
  • 编写说明:题目、选段、选项、数据与解析均为按常见考点独立编写的原创仿真题,未取自任何题库、教辅或试卷;采分点为教研整理,非官方评分标准

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