基于電表的擴程與校準實驗的數據可視化教學改革研究*

尹芬芬，張 宇，王 應

(1.銅仁學院，貴州 銅仁 554300；2.銅仁市白水九年一貫制學校，貴州 銅仁 554300)

1 引言

電流表和電壓表在電的測量中有著極為廣泛的應用，因此了解電表的構造原理和改裝電表顯得尤為重要。表頭由于自身構造，一般只允許小電流通過，只能測量較小的電流和電壓，如果要用它來測量較大的電流和電壓，就需進行擴程改裝。萬用表的原理就是對微安表頭進行多量程改裝而來，在電路的測量和故障檢測中得到了廣泛的應用。因此，了解電流表的構造原理，學會電表的改裝擴程與校準極為重要。

電表的擴程與校準是物理學的綜合性實驗項目，具有基礎實用性、綜合創新性實驗的特點[1]，要求學生完成實驗設計、儀器選擇、實驗操作、理論計算、數據處理及校準曲線繪圖等一系列過程[2]，對于提高學生進行實驗設計及分析物理問題有一定的幫助，對提升學生的綜合運用物理知識能力和創新能力有一定的促進作用。此外，在引導學生進行電表的擴程與校準實驗時，可引導學生當成電表制作，將物理綜合實驗與實用技術聯系起來，激發學生的創新意識，提升教學效果。

2 實驗內容

圖1 半偏法測電阻

圖2 替代法測電阻

對表頭而言，最重要的物理參數是內阻Rg和滿偏電流Ig。測量內阻的方法很多，實驗中常用的方法有兩種：半偏法和替代法。由于替代法具有更高的測量準確度，故本實驗用替代法測電流計的內阻。

2.1 表頭的主要參數(量程和內阻)的測定

（1）實驗數據處理：

表1 表頭量程和內阻

2.2 電流表和電壓表的改裝

（1）將電流計（表頭）擴程成電流表

根據電阻并聯規律可知，進行電流表的擴程，需在表頭兩端加入并聯分流電阻，使被測電流大部分從分流電阻流過，表頭仍保持原來允許通過的最大電流Ig，原表頭和組成的整體為擴程后的電流表。

本實驗，我們將電流表從1mA擴程為 10mA，根據IgRg=(I-Ig)RP可知，并聯分流電阻大小：RP=IgRg/（I-Ig）=16.783Ω

（2）將電流計（表頭）擴程成電壓表

根據電阻串聯規律特性可知，改裝成比原來量程大的電壓表，需在表頭兩端串聯阻值適當的分壓電阻Rs，使超過表頭的電壓由電阻Rs分壓，原表頭和電阻Rs組成的整體即為擴程后的電壓表。

本實驗中，將電表擴程為 5V 檔電壓，根據Ig(Rg+Rs)=V，可知Rs=V/Ig-Rg=4847.021Ω。

3 電表的標稱誤差、準確度等級及校準

對已改裝的電表進行精準度等級確定，能增強學生實驗操作的成就感，培養學生的實驗興趣。待校電表較標準電表測量而言，測量同一電路時會存在誤差，最大的絕對值誤差與量程之比即為標稱誤差。標稱誤差用來確定電表的準確度等級。

對標準表與待校表進行比較，進行電表的校準，作出校準曲線。對相鄰的校準點之間，數據處理近似認為滿足線性關系,因此校準曲線用折線圖表示[3]。如電流表的校準時，同時記下待校表和標準表的讀數,得到電表刻度的修正值ΔIx=Is-Ix，即可繪出校準曲線ΔI x-Ix的折線圖。以后使用該電表時,可以根據校準曲線作為參考，對測量值做出相應地修正,從校準曲線上可找出對應的實際值，從而增加測量的準確度。

圖3 電流表的擴程與校準電路

圖4 電壓表的擴程與校準電路

（1）電流表的標稱誤差、準確度等級及校準

a、10mA 電流表校正數據記錄

表2 10mA 電流表校正數據

b、擴程后的電流表的標稱誤差和準確度等級

根據測量數據，本實驗改裝電流表的標稱誤差=0.035/10×100%=0.35%，準確度等級為0.5。

c、電流表的校準曲線

利用編程繪圖：

ListLinePlot[{{10,0.035},{9.00,0.025},{8.00,0.035},{7.00,0.03},{6.00,0.02},{5.00,0.025},{4.00,0.01},{3.00,0.03},{2.00,0.02},{1.00,0.025},{0.00,0.00}},AxesLabel-＞{Ix,ΔIx}]

圖5 電流編程繪圖

利用Excel 利用數據描點畫圖功能：

圖6 電流Excel描點圖

（2）電壓表的標稱誤差、準確度等級及校準

a、5V電壓表校正數據記錄

表3 5V電壓表校正數據

b、擴程后的電壓表的標稱誤差

根據測量數據，本實驗改裝電壓表的標稱誤差=0.015/10×100%=0.15%,等級為0.2 級。

c、電壓校準曲線

利用編程繪圖：

ListLinePlot[{{5.00,0.005},{4.00,0.00},{3.00,0.01},{2.00,0.00},{1.00,0.015},{0.00,0.00}},AxesLabel-＞{Ux,Δ Ux}]

圖7 電壓編程繪圖

利用Excel 利用數據描點畫圖功能：

圖8 電壓Excel 數據描點圖

4 總結

通過電表的擴程與校準綜合性實驗教學，學生了解了電表的構造原理及改裝電表等物理知識、掌握了改裝電表的擴程與校準學習方法，并且能通過簡單的編程及利用數據描點畫圖兩種不同的方法描繪校準曲線，進行數據可視化，對數據進行精準地分析，提升學生的物理實驗數據處理與信息程序的綜合應用能力，將待校表與校準曲線在實際測量中結合使用，達到精準測量電壓和電流的目的，并有助于激發學生的創新意識，提升教學效果，培養學生把物理綜合實驗與實用技術聯系的能力。