第四节 常用电学仪器和光学仪器的使用和维护

电磁学实验在整个普通物理理论和实验中占有重要的地位和较大的比重，不仅如此，这些仪器在生产实践和科研中也有着广泛的应用。因而，熟悉掌握电学测量仪器的原理、性能及其使用方法，对今后从事实际工作尤为重要。下面简单介绍几种基本电学仪器的原理和使用方法。

1. 基本电学仪器的介绍

（1）检流计

检流计（又称电流计）通常用来作为指零仪表（即确定电路中有无电流通过），有时也用以测微小电流。检流计在电路中常用符号表示。

① 构造：仪器的主要部分是一块马蹄形磁铁，磁铁的两极间装有一个可转动的线圈。当线圈中有电流通过时，线圈受磁场的力矩作用而转动，同时弹簧游丝又给一个反方向的恢复力矩，使线圈平衡在某一角度，由指针在刻度盘上指示出来。根据电流与磁场的相互作用定律，能够证明线圈的偏转角度与电流的大小成正比，所以从指针所指示的刻度可看出电流的大小。

② 性能：检流计所允许通过的电流是非常小的，最常用的可指示出10-5A的电流，所以一般只用作指零仪表，不可任意连在电路中测量较大的电流。

③ 主要规格：

a. 电流常数：即指针偏转一个分格时，流过检流计线圈的电流强度通常用“安/格”或“安/分度”作单位，电流常数越小，表示检流计越灵敏。如AC5/1型检流计的电流常数为10-5安/格，表示指针偏转一分格就有10-5A电流通过。

b. 内阻：即检流计内部线固的直流电阻，用Rg表示。

④ 使用方法：检流计在使用前先进行零位调节，即在通电之前将指针调零。使用时常串联一个可变电阻器，以控制电流，保护检流计。检流计内阻（线电阻）一般不大，检流计指针的平衡位置在标尺中间，可以向左右两个方向偏转。检流计在使用中虽可不考虑表头的正负极性，但必须注意通过它的电流大小不允许超过检流计本身的量程（量程=电流常数×指针满偏的分格数），否则将会损坏检流计。

（2）电流表和电压表

电流表用以测量电路中的电流强度。电压表又称伏特计，用以测量一端电路两端的电压。

① 构造：电流表由一个灵敏电流计并联一个很小的分流电阻所构成。指针的平衡位置在标尺的一边。分流电阻的作用是使线路中的电流大部分通过分流电阻流过去，只有少量的电流通过检流计的线圈，这样就可用来测量较大的电流强度。并联不同大小的分流电阻，同一个仪表可以测量不同大小的电流强度。

电压表是由一个灵敏电流计串联一个大的分压电阻所构成。串联不同大小的分压电阻，同一个仪表可以测量不同大小的电压。

② 量程：电表所能测量的最大物理量叫量程。常用的电流表和电压表常常是多量程的，比如有0～10～20～50～100mA、0～7.5～15～30V多个量程。它们都有两个以上接线柱，其中“-”端是共用接线柱，其余接线柱均标有多量程数值，供不同量程选择使用。在实验中要预先估计电路中电流或电压的大小，然后选用比它稍大的量程进行测量。必须注意，使用一个电表，不能使待测物理量大于电表的量程，否则容易烧毁电表，但也不能使待测的物理量比电表的量程小得多，否则，电表偏转太小，测量值的相对误差大。

③ 表头内阻：即电表两端的电阻值。一般电流表内阻RA都很小，不能用万用表对它进行直接测量，否则将使电表损坏，电流表的内阻常标示于读数面板下方的中心位置处，单位为欧姆。在测量电流时应尽量选用内阻小的表头以减小它对测量电路的影响。

一般电压表的内阻RV用每伏欧姆数来表示，单位为Ω/V。如果一万用表直流电压挡的内阻为20kΩ/V，若使用10V挡量程进行电压测量，则该挡电压表的内阻RV=量程×每伏欧姆数=10V×20kΩ/V=200kΩ。同理可知，50V挡量程的表头内阻RV=1MΩ。在进行电压测量时，要尽量选用内阻大的表头，以免因表头的接入而使测量电路发生变化。

④ 读数视差：电表在使用前首先要观察指针是否在零位，不在零位时要进行机械调零。在测量过程中读数时，常常因指针的观察角度不同而得到不同数值，这种误差称为“读数视差”。为了减少此误差，读数时必须使视线垂直子刻度表面再读数。对于精密电表，刻度尺下面常附有镜面。只有当指针在镜中的像与指针重合时所对准的刻度数，才是准确的读数值。

⑤ 在电学测量中，用电表进行测量产生的误差主要有两类，即仪器误差和附加误差。

a. 仪器误差：由于电表本身结构和制作上的不完善而造成。如：轴承摩擦、分度不准、刻度尺划的不均匀、游丝变质等原因，使得电表的指示值与其真值有误差，通常称为电表的“基本误差”。电表出厂时，都要经过校准，根据其基本误差的大小划定为不同的准确度等级。其中“基本误差”定义为：

式中，γm为电表的基本误差；Δmax为电表指示值中的最大绝对误差；A为电表指示值；A0为电表的实际值（或叫真值）；Am为电表的上限值（或叫满量程值）。

根据国家标准计量局规定，对应电表不同的准确等级，其基本误差不超过表1-4-1中的规定。

b. 附加误差：由于外界因素的变动对仪表读数产生影响而造成的误差。外界因素是指仪表周围环境的温度、电场、磁场、振动等。当电表在正常情况下（即符合电表说明书上所要求的工作条件）运用时，一般不会产生附加误差，因而电表的测量误差主要是仪器误差。但经长期使用的电表，其基本误差常常会超过规定的允许值，故要定期进行校准。

c. 电表的测量误差及测量结果的表示：由电表的“基本误差”公式，可以通过准确度等级来确定该电表的最大绝对误差。例如，量程为100mA的0.5级电表，其最大绝对误差为：

ΔImax=量程×电表等级%=100×0.5%=0.5（mA）

若用该表进行电流测量时，表针指示的读数为60.8mA，则测量结果可表示为：

I测=（60.8±0.5）mA

该测量结果的相对误差为。可见，用同一级别的电流表测量不同大小的电流时，各测量结果的最大绝对误差相同，但是小电流的测量结果其相对误差反而大了。因此，在选择电表量程时应使所测值在电表满刻度的2/3以上，越接近满刻度误差越小。

（3）旋转式电阻箱

电阻箱是一系列准确测定了由电阻线丝绕成的固定电阻，按一定形式组合、连接在特殊的变换开关装置上构成。其阻值标在面板上，如图1-4-1（a）所示。利用旋钮作转换开关可以选取任意值的电阻，在实验中做已知电阻使用。在电路中常用符号表示。

旋转式电阻箱的内部构造如图1-4-1（b）所示，旋钮位置改变后，被短路的电阻丝也改变，因此电阻箱的总阻值也改变了。

电阻箱的主要规格有：

① 总电阻：即电阻箱上各个旋钮都放在最大值时的总阻值。如图1-4-1中电阻箱的总电阻为99 999.9Ω。

② 额定功率：即电阻箱中每个电阻的功率额定值，一般为0.25W。电阻箱各挡电阻所允许通过的最大电流，可由公式求得，式中P为额定功率，R为各挡中最小的电阻值。在同一挡中，最大电流都相等。表1-4-2中列出了各挡电阻允许通过的最大电流值，使用中绝对不允许超过相应的最大电流值。

③ 电阻箱的等级：根据其误差大小，电阻箱分为若干个准确度等级，一般有0.02、0.05、0.1、0.2级等，它表示电阻值相对误差的百分数。例如：0.1级电阻箱所用电阻为258.5Ω，其绝对误差为258.5×0.1%=0.3Ω。此外，不同级别的电阻箱规定允许的接触电阻标准也不同。如0.1级电阻箱规定每个旋钮的接触电阻不得大于0.002Ω。电阻较大时，由接触电阻带来的误差可以忽略不计，为了减少接触电阻，精密电阻箱附设小电阻接头，如图1-4-1（b）中的接线柱，电阻小于0.9Ω时，用0-0.9Ω接线柱；小于9.9Ω时，用0-9.9Ω接线柱；大于10Ω的电阻都用0-99 999.9Ω接线柱。

使用电阻箱要注意不能让电阻值出现零欧姆，否则会损坏其他仪表，一般来说，当电阻 值由低挡进位到高挡时，应先将高挡旋钮拨至1处，再将低挡旋钮拨至0。

（4）滑线式变阻器

滑线式变阻器是用来改变电流和电压的仪器。变阻器的符号常用表示。

① 构造：滑线式变阻器是由一根绕在瓷质圆筒上的电阻丝，两端固定在接线柱M和N上而成。上面有一粗铜棍，棍端有一接线柱T，棍上套有一滑动接头P（T和P等效），下端与电阻丝相接触（如图1-4-2）。

② 变阻器的用途

a. 改变电流强度：用变阻器改变电流，只需把变阻器滑动接头T及固定头M（或N）串联在电路中，如图1-4-3所示。改变滑动接头的位置，就改变了M和T之间的阻值，因而也就改变了负载电阻RL中的电流。

b. 改变电压：用变阻器改变电压（作分压器），需要把电源的两极连在变阻器的两个固定端M与N，则有电流通过整个变阻器的电阻丝，并且产生电位降落。再从滑动接头T及固定端M（或N）连出来，则T和M之间的电压（即加在负载电阻RL两端的电压），随着滑动接头T与M之间的距离增加而增加，故改变了滑动接头的位置，也就改变了负载两端的电压（见图1-4-4）。

滑动变阻器都标有电阻值和额定电流值，通过变阻器的电流必须小于额定电流之值。

（5）万用表

万用表是电学实验中常用的一种仪表，类型很多，不同型号的万用表，测量范围有所不同，大部分万用表可用来测量电阻、直流电压、直流电流和交流电压。现以500型万用表为例介绍万用表的使用方法。

500型万用表板面（如图1-4-5所示）有表头，机械调零S3，测量转换开关S1、S2，电阻零位调整R0外接插孔，K1、K2、K3、K4。表的背面附有电池盒。

进行测量前，首先要观察表头指针是否在零位，不在零位时要进行机械调零，轻轻转动S3。

① 电阻测量：将测试表笔插入K1和K2孔内，S2旋到“Ω”位置，S1转到适当量程。然后将两表短路，调节R0旋钮使指针指示在欧姆标尺的0Ω位置上，再将两个测试笔分开，然后再去测量未知电阻的阻值，为了提高测量精度，指针所示电阻值尽可能指示在刻度中间一段，即全刻度开始的20%～80%弧度范围内。读值要读“Ω”刻线。

② 直流电流测量：将测试笔插入K1和K2孔内，旋钮S2旋至A位置，S1旋到相应的直流电流量程位置上，然后将万用表串联在被测电路中，红表笔接高电位端，黑表笔接低电位端，可测出被测电路中的直流电流值。如不能预计被测电流的数值大小，应将转换开关旋至最大量限的位置上，数值由从上数第二刻线读出。

③ 直流电压测量：将测试表笔插入K1和K2孔内，将开关旋钮S1旋至位置处，然后把开关旋钮S2旋至所测直流电压的相应量程位置，再将测试表笔跨接在被测电路两端进行测量。红表笔接高电位端，黑表笔接低电位端。如不能预计被测电压的数值，应将旋钮旋至最大量程位置，数值由从上数第二刻线读出。

④ 交流电压测量，将测试表笔插入K3和K4插孔，旋钮S1旋至位置，S2旋至相应的交流电压量程上，再将两表笔跨接在被测交流电路两端，红、黑表笔的位置可以相互调换。如不能预计被测电压的数值，应将开关转到最大量限位置。数值一般由从上数第二刻线读出。当使用交流10V量程，应由第三条专用刻度线读出。

常用的电气元件符号和电气仪表面板上的标记分别列在表1-4-3和1-4-4中。

2. 电学实验的基本操作规程

① 实验前的准备：实验前首先要把所用仪器的性能、规格、使用方法搞清楚，准备好数据记录表，然后按电路图的顺序摆好各仪器位置，同时还要兼顾读数、操作的方便。

② 连线：在理解电路原理的基础上按回路顺序进行连线。连线过程中，所有电源开关必须断开，电键也应先断开，注意电表的正负极不要接错。

③ 检查：连线完毕应先对照电路图自行检查，确认无误后请老师复查，合格后方可通电进行实验。

④ 在闭合电键时，要密切注意各仪表的可能反应，一旦出现异常要及时断开电键。实验中需要暂停时可断开电键。若更换电路，应将各仪器先调到安全状态然后断开电键，拆除电源后改接电路。

⑤ 安全：实验中无论电路中有无高压，都要避免用双手接触电路中导体。

⑥ 整理：实验完毕，先将电源和电键断开，经教师检查数据并认可后方能拆除电线，拆线时务必先拆除电源，最后将所有仪器用具整理好放回原处，经教师允许后再离开实验室。

3. 光学仪器的使用和维护规则

光学仪器的应用十分广泛。例如，它可将像放大、缩小或记录储存；可以实现不接触的高精度测量；利用光谱仪器可研究原子、分子和固体的结构，测量各种物质的成分和含量等。特别是由于激光的产生和发展，近代光学和电子技术的密切配合，以及材料和工艺上的革新等，光学仪器在国民经济的各个部门几乎成为不可缺少的工具。

光学仪器的核心部件是它的光学元件，如各种透镜、棱镜、反射镜、分划板等，对它们的光学性能（如表面光洁度、平行度、透光率等）都有一定的要求。光学元件极易损坏。最常见的损坏有下列几种：

① 破损：由于使用者粗心大意，使光学元件受到强烈的撞击（如跌落、震动）或挤压， 造成缺损和破裂。

② 磨损：这是最常见的，也是危害性最大的损坏。往往在玻璃表面上附有灰尘等污物时，由于处理方法不正确（如用手或布，甚至用纸片去擦），以致使玻璃的光学表面留下刻痕。也有因使用或保管不善，使光学元件和其他物体发生摩擦。磨损将使仪器成像变模糊，严重时甚至不能成像。

③ 污损：由于手指上的油垢汗渍或不洁的液体所造成的沉淀，结果在光学表面上留下斑渍。

④ 发霉：这是由于光学元件所处于环境的温度较高，湿度较大，适宜于微生物的生长造成的。

⑤ 腐蚀：是在光学表面遇到酸、碱等化学物品后造成的。

由于以上原因，光学仪器在使用和维护时必须遵守下列规则：

① 必须在了解仪器的使用方法和操作要求后才能使用仪器。

② 仪器应轻拿、轻放，勿受震动。

③ 不准用手触摸仪器的光学表面。如必须用手拿一些光学元件（如平面镜、透镜、棱镜等）时，只能接触非光学表面部分，即磨砂面，如平面镜和透镜的边缘、棱镜的上下底面等，如图1-4-6、图1-4-7和图1-4-8所示。

④ 光学表面若有轻微的污痕或指印，可用特制的镜头纸或清洁的鹿皮轻轻地拭去，不能加压力擦拭，更不准用手、手帕、衣服或其他纸片擦拭。使用的镜头纸应保持清洁（尤其不能粘有尘土）。若表面有较严重的污痕、指印等，一般应由实验室管理人员用乙醚、丙酮或酒精等清洗（镀膜面不宜清洗）。

⑤ 光学表面如有灰尘，可用实验室专备的干燥的脱脂软毛笔轻轻弹去，或用橡皮球将灰吹去，切不可用其他任何物品擦拭。

⑥ 除实验规定外，不允许任何溶液接触光学表面。

⑦ 光学仪器中的机械部分，很多都经过精密加工，如迈克尔逊干涉仪的蜗轮、蜗杆、分光仪的微调螺钉、刻度盘、可调狭缝等，装配也很精密，因此操作时动作要轻，螺母不要拧得过紧或强行转动，发现异常立即停下，以免损坏部件或仪器，严禁私自拆卸仪器。

⑧ 仪器用毕，应放回箱内或加罩，防止沾污尘土。