Измерительные приборы в электрической цепи
В электрической цепи измерительные приборы подключают не произвольно: амперметр включают последовательно с потребителем, а вольтметр — параллельно участку цепи. Чтобы решить задания ОГЭ, нужно уметь выбирать предел измерения, цену деления, считывать показания и находить абсолютную или относительную погрешность.
Что измеряют приборы
Электрическая цепь состоит из источника тока, соединительных проводов, потребителей и, при необходимости, ключа и измерительных приборов. Амперметр измеряет силу электрического тока \(I\), то есть заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за единицу времени. Вольтметр измеряет напряжение \(U\) между двумя точками цепи — работу электрического поля по перемещению единичного заряда.
Сила тока — физическая величина, равная отношению заряда к времени его прохождения: \(I=\frac{q}{t}\). Напряжение — физическая величина, равная отношению работы электрического поля к заряду: \(U=\frac{A}{q}\). Показание прибора выражают числом и единицей измерения.
На шкале прибора обычно указаны предел измерения и единица. Предел измерения — наибольшее значение величины, которое можно измерить данным подключением. Если шкала имеет несколько рядов чисел, выбирают тот ряд, который соответствует выбранной клемме или пределу.
Правила подключения в цепь
Амперметр включают последовательно с элементом, силу тока в котором измеряют. В последовательной цепи через все элементы проходит один и тот же ток, поэтому показание амперметра относится к данному участку. Сопротивление амперметра должно быть очень маленьким, чтобы почти не изменять ток.
Вольтметр включают параллельно участку, на котором измеряют напряжение. Его подключают к двум точкам — например, к выводам лампы или резистора. Сопротивление вольтметра велико, поэтому ток через него в идеальном случае пренебрежимо мал.
В цепи постоянного тока положительную клемму прибора соединяют с точкой более высокого потенциала, обычно с плюсом источника, а отрицательную — с точкой более низкого потенциала. При обратном подключении стрелка аналогового прибора отклоняется в другую сторону, а цифровой прибор может показать знак «минус».
Нельзя подключать амперметр непосредственно к полюсам источника: его малое сопротивление создаёт почти короткое замыкание и может повредить прибор. Нельзя включать вольтметр последовательно вместо амперметра: цепь будет работать неправильно, а показание не даст нужного напряжения.
Как подключить прибор, чтобы измерить напряжение на лампе?
Цена деления и чтение показаний
Чтобы определить показание аналогового прибора, сначала находят цену деления шкалы. Нужно взять два соседних подписанных значения, найти их разность и разделить на число промежутков между ними.
Здесь \(c\) — цена деления, \(x_1\) и \(x_2\) — значения двух подписанных штрихов, \(n\) — число промежутков между ними. Затем считают, сколько малых делений прошло от нулевой отметки до стрелки, и умножают это число на \(c\). Если стрелка находится между делениями, показание оценивают с учётом разрешения шкалы.
1. Определите, какой ряд шкалы используется. 2. Найдите цену одного деления. 3. Посчитайте деления до стрелки. 4. Умножьте число делений на цену деления. 5. Запишите число вместе с единицей и проверьте, не превышен ли предел измерения.
| Величина | Прибор | Подключение | Идеальное сопротивление прибора |
|---|---|---|---|
| Сила тока \(I\) | Амперметр | Последовательно | Очень малое |
| Напряжение \(U\) | Вольтметр | Параллельно | Очень большое |
Погрешность измерения
Любое измерение имеет погрешность: результат не может быть абсолютно точным. Причины — ограниченная цена деления, неточность прибора, сопротивление соединительных проводов, ошибка наблюдателя и изменение режима цепи при подключении прибора.
Абсолютная погрешность \(\Delta x\) показывает возможную ошибку в единицах измеряемой величины. Относительная погрешность показывает, какую долю измеренного значения составляет ошибка, обычно в процентах.
Для школьных задач абсолютную погрешность стрелочного прибора часто принимают равной половине цены деления: \(\Delta x\approx\frac{c}{2}\). Если в условии прямо дана другая погрешность или класс точности, используют именно её. Результат можно записывать так: \(x=(x_\text{изм}\pm\Delta x)\).
Меньший выбранный предел обычно позволяет измерять точнее, но только если ожидаемое значение не превышает этот предел. Начинать измерение безопаснее с большего предела, а затем, если это возможно, переключаться на меньший.
Разобранный пример
Амперметр подключён последовательно. На используемой шкале подписаны значения 0 А и 3 А, между ними 30 промежутков. Стрелка показывает 18-е деление. Найдём ток и оценим погрешность.
Ответ: сила тока примерно \(1{,}8\) А, абсолютная погрешность — \(0{,}05\) А, относительная — около \(2{,}8\%\). Если в задаче требуется только показание прибора, достаточно указать \(1{,}8\) А.
Показать решение похожей задачи ОГЭ
Вольтметр имеет предел 6 В и шкалу из 30 промежутков. Стрелка стоит на 22-м делении.
Ответ: \(U=4{,}4\) В.
Не путайте число промежутков с числом штрихов: между двумя соседними штрихами один промежуток. Не забывайте переводить миллиамперы в амперы: \(250\) мА \(=0{,}250\) А. Не подставляйте в формулу цену деления вместо показания. И обязательно указывайте единицу измерения.
Связь с законом Ома
После правильного измерения силы тока и напряжения можно найти сопротивление участка по закону Ома. Для задач, где приборы подключены к резистору, полезно проверить результат этой формулой и убедиться, что схема и единицы записаны верно.
Например, если вольтметр показывает 12 В, а амперметр — 0,5 А, сопротивление резистора равно \(R=12/0{,}5=24\) Ом. Подробнее типичные вычисления разобраны на странице задач по закону Ома. При работе с реальной установкой соблюдайте правила электробезопасности и не меняйте соединения под напряжением.
Быстрая проверка
Главное
- Амперметр включают последовательно и подключают с соблюдением полярности.
- Вольтметр включают параллельно измеряемому участку; его клеммы соединяют с двумя точками участка.
- Цену деления находят как разность подписанных значений, делённую на число промежутков.
- Абсолютная погрешность имеет те же единицы, что и измеряемая величина; относительную находят по формуле \(\varepsilon=\frac{\Delta x}{x}\cdot100\%\).
- При ответе записывайте число, единицу измерения и, если требуется, погрешность.