指針式萬用表在大學物理實驗中的具體應用

　　摘 要： 本文針對在大學物理實驗過程中學生初次使用萬用表出現的常見問題，分析了萬用表引入的利弊與注意事項。
　　關鍵詞： 指針式萬用表 大學物理實驗 應用
　　
　　1.引言
　　萬用表作為最常見的便攜式電子測量儀表，價格低廉、功能強大，在生產生活和教學科研中應用廣泛［１－４］。理工科大學生，有必要了解萬用表的工作原理并熟練掌握其基本應用。萬用表根據其工作原理和顯示方式不同可分為數字式和指針式，數字式萬用表雖然讀數方便，但測量和顯示都需要電池或電源，指針式萬用表雖然讀數稍顯復雜，但除了電阻、三極管電流放大倍數等個別功能外，絕大部分功能不需要電源即可完成，更加低碳環保。指針式萬用表內部結構簡單，成本低，維護簡單［４］，更適合實驗室廣泛使用，本文主要分析了指針式萬用表在大學物理實驗的應用。
　　2.萬用表與大學物理實驗
　　大學物理實驗尤其是電磁學部分的實驗中，經常需要測量直流電壓電流等電路參數，采用磁電系的伏特表安培表精確度高、操作簡單，但也存在體積大、量程范圍少、功能單一等缺點。隨著擴招后學生人數的增加，實驗儀器使用頻率也隨之增加，伏特表安培表難以滿足廣大學生物理實驗的需求。體積小、量程范圍大、功能齊全、質優價廉的萬用表也被應用到大學物理實驗中。然而，由于中學階段實踐性學習的缺乏或是中學學?？陀^條件的限制，即使是理工科學生，在低年級的階段，沒有進行電子工藝實習等實踐環節之前，除了極個別學生，由于指針式萬用表相對功能單一的伏特表安培表而言，操作和讀數比較復雜，大部分學生并不能熟練使用指針式萬用表。
　　大學物理實驗中，有必要初步了解指針式萬用表的結構原理，掌握指針式萬用表的使用方法（主要針對MF47型萬用表的直流電壓和電流擋）和安全使用注意事項。
　　3.萬用表的結構與接法
　　指針式萬用表由表頭、測量電路和轉換開關組成。表頭是一只高靈敏度的磁電系直流電流表，萬用表的主要性能指標取決于表頭的性能。表頭的靈敏度是指表頭指針滿刻度偏轉時流過表頭的直流電流值，這個值越小，表頭的靈敏度愈高。測量線路是用來把各種被測量轉換到適合表頭測量的微小直流電流的電路，能將各種不同的物理量（如電流、電壓、電阻等）、不同的量程，經過一系列的處理（如整流、分流、分壓等），轉變成微小直流電流送入表頭進行測量。轉換開關用來選擇各種不同的測量線路，以滿足不同種類和不同量程的測量要求。轉換開關有一個或兩個，標有不同的功能和量程［４］。
　　對指針式萬用表直流電壓是表頭通過串聯不同的電阻構成，利用串聯電路的分壓特性來得到不同的直流電壓量程，因而直流電壓擋位尤其是大量程，其內阻較大（例如MF47萬用表的DCV1000V檔高達9MΩ），如果該擋并聯在電路當中，對原電路的影響較小，而串聯到電路當中，則通過的電流很小，基本相當于開路。直流電流擋位為表頭并聯電阻構成，利用并聯電路的分流特性來得到不同的直流電流量程，因而直流電流擋位內阻很小，串聯到電路當中，對原電路的影響一般較小，近似于一連接導線，但如果并聯到電路中，大部分電流將通過萬用表。
　　萬用表測量時應水平放置，并進行機械零點調節。一般應將萬用表紅表筆接入“+”插孔，黑表筆接入“-”插孔，如有大電流或大電壓，紅表筆接入相應大量程插孔。
　　測量直流電壓時，萬用表與待測電壓并聯，例如測量某電路中a、b兩點電壓Uab，應試探性地將黑表筆接a，接紅表筆接b，若指針向順時針偏轉，則電壓值記為正值，由于萬用表逆時針偏轉即反偏會損壞指針，因此試探性連接時發現指針反偏，應立即將表筆換向連接，同時電壓值記為負值。測量直流電流時，萬用表串聯入待測點，電流正負值選擇方式與電壓測量時相似。不管是直流電壓還是電流擋，都應先選大量程，只有發現其大小確實小于下一量程，才能將切換到下一量程。注意在切換功能或量程前，應將萬用表表筆斷開。
　　4.萬用表的量程與讀數
　　必須根據萬用表的轉換開關指示的功能和量程選用相應的刻度盤讀數。讀數時視線應于刻度盤盤面垂直，指針、刻度線（或估讀數據理論上的刻度線）和指針在刻度盤鏡面內的像，三條線在同一平面上。讀數還應估讀一位。對直流電壓電流檔位而言，待測物理量和指針偏轉角度是線性關系，因而刻度線是均勻的，估讀也較容易。對MF47型萬用表而言，直流電壓電流擋讀數為刻度盤中部0—10、0—50和0—250這一區域的刻度線，若滿量程為10、50和250直接利用這三個刻度線即可；若為其他量程，可以選擇該量程為這三個刻度線慢量程的整十倍，或整十分之一讀數，這樣讀數換算最簡單，例如用1000V量程，那么讀滿刻度為10的數據，再乘以100即得所測電壓大小。
　　初學者往往忽視指針式萬用表接入電路后對原電路的影響。即使正確地使用萬用表測量數據，也會產生誤差，不僅是萬用表本身精確度等級帶來的誤差，而且有萬用表接入電路改變了原電路，后者往往被初學者忽略。而某些情況下，這種改變不僅會出現誤差，而且會產生錯誤的數據。因此不能迷信萬用表的精確度等級，而應根據萬用表和電路本身的參數分析誤差，并避免出現錯誤的數據。
　　對直流電壓測量而應，可以采用補償法減小萬用表分流的影響，從而減小誤差［1］。
　　5.萬用表的安全使用
　　萬用表的不當使用，往往造成電氣故障甚至人身安全事故。例如當萬用表擋位為電流時，錯誤地用來測量電壓，即使是較低的直流電壓，由于萬用表電流擋內阻極小，也很可能會造成萬用表保險管熔斷和表頭損壞，如用來測量AC220V市電電壓，會造成萬用表保險管爆裂和表頭損壞。另外測量高壓是如用手接觸到表筆金屬部分，會發生觸電事故。
　　萬用表使用尤其是測量高壓時要避免接觸其金屬部分，不用電流擋來測電壓。萬用表不用時應打到“OFF”擋（例如MF47型）或交流電壓量程最大擋（例如MF30型）。
　　雖然新型的指針式萬用表采用了多重保護電路，但在大學物理實驗過程中，仍然必須堅持讓學生正確使用指針式萬用表，這樣才能切實保護學生的人身安全和培養學生良好的實驗習慣。
　　6.結語
　　熟練掌握指針式萬用表的正確實驗方法，不但是理工科學生完成好物理實驗的項目保證，而且有利于后續相關實踐性環節的開展。
　　
　　參考文獻：
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