基于电表的扩程与校准实验的数据可视化教学改革研究*

尹芬芬，张 宇，王 应

(1.铜仁学院，贵州 铜仁 554300；2.铜仁市白水九年一贯制学校，贵州 铜仁 554300)

1 引言

电流表和电压表在电的测量中有着极为广泛的应用，因此了解电表的构造原理和改装电表显得尤为重要。表头由于自身构造，一般只允许小电流通过，只能测量较小的电流和电压，如果要用它来测量较大的电流和电压，就需进行扩程改装。万用表的原理就是对微安表头进行多量程改装而来，在电路的测量和故障检测中得到了广泛的应用。因此，了解电流表的构造原理，学会电表的改装扩程与校准极为重要。

电表的扩程与校准是物理学的综合性实验项目，具有基础实用性、综合创新性实验的特点[1]，要求学生完成实验设计、仪器选择、实验操作、理论计算、数据处理及校准曲线绘图等一系列过程[2]，对于提高学生进行实验设计及分析物理问题有一定的帮助，对提升学生的综合运用物理知识能力和创新能力有一定的促进作用。此外，在引导学生进行电表的扩程与校准实验时，可引导学生当成电表制作，将物理综合实验与实用技术联系起来，激发学生的创新意识，提升教学效果。

2 实验内容

图1 半偏法测电阻

图2 替代法测电阻

对表头而言，最重要的物理参数是内阻Rg和满偏电流Ig。测量内阻的方法很多，实验中常用的方法有两种：半偏法和替代法。由于替代法具有更高的测量准确度，故本实验用替代法测电流计的内阻。

2.1 表头的主要参数(量程和内阻)的测定

（1）实验数据处理：

表1 表头量程和内阻

2.2 电流表和电压表的改装

（1）将电流计（表头）扩程成电流表

根据电阻并联规律可知，进行电流表的扩程，需在表头两端加入并联分流电阻，使被测电流大部分从分流电阻流过，表头仍保持原来允许通过的最大电流Ig，原表头和组成的整体为扩程后的电流表。

本实验，我们将电流表从1mA扩程为 10mA，根据IgRg=(I-Ig)RP可知，并联分流电阻大小：RP=IgRg/（I-Ig）=16.783Ω

（2）将电流计（表头）扩程成电压表

根据电阻串联规律特性可知，改装成比原来量程大的电压表，需在表头两端串联阻值适当的分压电阻Rs，使超过表头的电压由电阻Rs分压，原表头和电阻Rs组成的整体即为扩程后的电压表。

本实验中，将电表扩程为 5V 档电压，根据Ig(Rg+Rs)=V，可知Rs=V/Ig-Rg=4847.021Ω。

3 电表的标称误差、准确度等级及校准

对已改装的电表进行精准度等级确定，能增强学生实验操作的成就感，培养学生的实验兴趣。待校电表较标准电表测量而言，测量同一电路时会存在误差，最大的绝对值误差与量程之比即为标称误差。标称误差用来确定电表的准确度等级。

对标准表与待校表进行比较，进行电表的校准，作出校准曲线。对相邻的校准点之间，数据处理近似认为满足线性关系,因此校准曲线用折线图表示[3]。如电流表的校准时，同时记下待校表和标准表的读数,得到电表刻度的修正值ΔIx=Is-Ix，即可绘出校准曲线ΔI x-Ix的折线图。以后使用该电表时,可以根据校准曲线作为参考，对测量值做出相应地修正,从校准曲线上可找出对应的实际值，从而增加测量的准确度。

图3 电流表的扩程与校准电路

图4 电压表的扩程与校准电路

（1）电流表的标称误差、准确度等级及校准

a、10mA 电流表校正数据记录

表2 10mA 电流表校正数据

b、扩程后的电流表的标称误差和准确度等级

根据测量数据，本实验改装电流表的标称误差=0.035/10×100%=0.35%，准确度等级为0.5。

c、电流表的校准曲线

利用编程绘图：

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}]

图5 电流编程绘图

利用Excel 利用数据描点画图功能：

图6 电流Excel描点图

（2）电压表的标称误差、准确度等级及校准

a、5V电压表校正数据记录

表3 5V电压表校正数据

b、扩程后的电压表的标称误差

根据测量数据，本实验改装电压表的标称误差=0.015/10×100%=0.15%,等级为0.2 级。

c、电压校准曲线

利用编程绘图：

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}]

图7 电压编程绘图

利用Excel 利用数据描点画图功能：

图8 电压Excel 数据描点图

4 总结

通过电表的扩程与校准综合性实验教学，学生了解了电表的构造原理及改装电表等物理知识、掌握了改装电表的扩程与校准学习方法，并且能通过简单的编程及利用数据描点画图两种不同的方法描绘校准曲线，进行数据可视化，对数据进行精准地分析，提升学生的物理实验数据处理与信息程序的综合应用能力，将待校表与校准曲线在实际测量中结合使用，达到精准测量电压和电流的目的，并有助于激发学生的创新意识，提升教学效果，培养学生把物理综合实验与实用技术联系的能力。