(新教材)高中物理人教版必修第三冊學案：11.3.2-實驗2-金屬絲電阻率的測量-【含解析】

1、PAGE 16 -衡石量書整理實驗2金屬絲電阻率的測量實驗必備自主學習一、實驗目的1.學會使用伏安法測量電阻。2.會測量金屬導體的電阻率。二、實驗器材被測金屬絲,直流電源(4 V),電流表(00.6 A),電壓表(03 V),滑動變阻器(50 ),開關,導線若干,螺旋測微器,毫米刻度尺。三、實驗原理與設計1.實驗原理:設金屬導線長度為l,導線直徑為d,電阻率為,則:由R= QUOTE ,得:= QUOTE = QUOTE 。2.實驗設計:按伏安法測電阻的電路原理圖連接好實驗電路。實驗過程探究學習 實驗步驟 1.直徑測定:用螺旋測微器在被測金屬絲上的三個不同位置各測一次直徑,求出其平均值d,計算

2、出金屬絲的橫截面積S= QUOTE 。2.電路連接:按圖甲或乙所示的電路原理圖連接好用伏安法測電阻的實驗電路。3.長度測量:用毫米刻度尺測量接入電路中的被測金屬絲的有效長度,反復測量3次,求出其平均值l。4.電阻測量:把滑動變阻器的滑片調節(jié)到使接入電路中的電阻值最大的位置,電路經檢查確認無誤后,閉合開關S,改變滑動變阻器滑片位置,讀出幾組相應的電流表和電壓表示數(shù)I和U的值,填入表格中,斷開開關S,求出電阻Rx的平均值。UIRx5.拆除實驗線路,整理好實驗器材。 數(shù)據收集與分析 1.在求Rx的平均值時可用兩種方法:(1)用Rx= QUOTE 分別算出各次的數(shù)值,再取平均值。(2)用U-I圖線的斜

3、率求出。2.計算電阻率:將記錄的數(shù)據Rx、l、d的值代入電阻率計算式=Rx QUOTE = QUOTE Rx。1.怎樣測量被測金屬導線的有效長度?(科學態(tài)度與責任)提示:測量被測金屬導線的有效長度,是指測量待測導線接入電路的兩個端點之間的長度,亦即電壓表兩并入點間的部分待測導線長度。測量時應將導線拉直。2.閉合開關S之前,滑動變阻器的滑片處在什么位置?(科學探究)提示:閉合開關S之前,一定要使滑動變阻器的滑片處在有效電阻值最大的位置。 誤差分析 (1)金屬絲的橫截面積是利用直徑計算而得,直徑的測量是產生誤差的主要來源之一。(2)采用伏安法測量金屬絲的電阻時,由于采用的是電流表外接法,測量值小于

4、真實值,使電阻率的測量值偏小。(3)金屬絲的長度測量、電流表和電壓表的讀數(shù)等會帶來偶然誤差。(4)由于金屬絲通電后發(fā)熱升溫,會使金屬絲的電阻率變大,造成測量誤差。測量金屬絲直徑,是在連入電路之前還是之后?提示:為了方便,測量直徑時應在金屬絲連入電路之前測量。實驗研析創(chuàng)新學習 類型一教材原型實驗角度1實驗原理和實驗操作【典例1】某興趣小組在做“測定金屬絲的電阻率”的實驗中,通過粗測電阻絲的電阻約為5 ,為了使測量結果盡量準確,從實驗室找出以下供選擇的器材:A.電池組(3 V,內阻約1 );B.電流表A1(03 A,內阻0.012 5 );C.電流表A2(00.6 A,內阻0.125 );D.電壓

5、表V1(03 V,內阻4 k);E.電壓表V2(015 V,內阻15 k);F.滑動變阻器R1(020 ,額定電流1 A);G.滑動變阻器R2(02 000 ,額定電流0.3 A);H.開關、導線若干。(1)上述器材中,電流表應選_,電壓表應選_,滑動變阻器應選_(填寫器材前的字母)。為使通過待測金屬絲的電流能從00.5 A范圍內改變,電路應選_(填寫甲、乙、丙、丁)。(2)若用L表示金屬絲接入電路中的長度,d表示直徑,U表示金屬絲上的電壓。I表示金屬絲中的電流,請用以上字母寫出計算金屬絲電阻率的表達式=_?！窘馕觥?1)由于電源電動勢為3 V,由I= QUOTE = QUOTE A=0.5

6、A,可知電路中最大電流約為0.5 A,則電流表選C;電表讀數(shù)要達到半偏,則電壓表選D;為了操作方便,應選擇和被測電阻阻值相差不大的滑動變阻器,故選F;要求電流從零變化,故選用滑動變阻器的分壓接法,又 QUOTE QUOTE ,故采用電流表的外接法,所以電路圖甲符合。(2)根據歐姆定律可得Rx= QUOTE ,根據電阻定律可得Rx= QUOTE ,解得= QUOTE ,即被測電阻的電阻率為= QUOTE 。答案:(1)CDF甲(2) QUOTE 角度2實驗數(shù)據處理【典例2】某學生用如圖甲所示電路測金屬導線的電阻率,可供使用的器材有:被測金屬導線ab,電阻約為10 ,允許流過的最大電流為0.8 A

7、;穩(wěn)恒電源E,電源輸出電壓恒為E=12 V;電壓表V,量程為3 V,內阻約5 k;保護電阻:R1=10 ,R2=30 ,R3=200 ;刻度尺、螺旋測微器,開關S,導線若干等。實驗時的主要步驟如下:用刻度尺量出導線ab的長度l,用螺旋測微器測出導線的直徑d。按如圖甲所示電路將實驗所需器材用導線連接好。閉合開關S,移動接線觸片P,測出aP長度x,讀出電壓表的示數(shù)U。描點作出U-x圖線求出金屬導線的電阻率。完成下列填空:(1)用螺旋測微器測量金屬導線的直徑d,其示數(shù)如圖乙所示,該金屬導線的直徑d=_mm。(2)如果實驗時既要保證安全,又要測量誤差較小,保護電阻R0應選_。(3)根據多次實驗測出的a

8、P長度x和對應每次實驗讀出的電壓表的示數(shù)U畫出的U-x圖線如圖丙所示,其中圖線的斜率為k,則金屬導線的電阻率=_。(用實驗器材中給出的物理量字母和實驗步驟中測出的物理量字母表示)【解析】(1)根據螺旋測微器讀數(shù)規(guī)則,該金屬導線的直徑d=0.5 mm+37.00.01 mm=0.870 mm。(2)根據題述可知電源輸出電壓恒為E=12 V,電壓表V的量程為3 V,保護電阻R應該分壓9 V。由于被測金屬導線ab的電阻約為10 ,所以保護電阻R0應選R2=30 。(3)被測金屬導線橫截面積S= QUOTE ,aP段電阻Rx= QUOTE = QUOTE 。電壓表的示數(shù)U=IRx,電流I= QUOTE

9、 ,又 QUOTE = QUOTE ,聯(lián)立得到:U= QUOTE x。U-x圖線的斜率k= QUOTE ,解得:= QUOTE 。答案:(1)0.870(2)R2(3) QUOTE 類型二創(chuàng)新型實驗【典例3】利用如圖甲所示的電路測量某種電阻絲材料的電阻率,所用電阻絲的電阻約為20 。帶有刻度尺的木板上有a和b兩個接線柱,把電阻絲拉直后固定在接線柱a和b上。在電阻絲上夾上一個帶有接線柱c的小金屬夾,沿電阻絲移動金屬夾,可改變其與電阻絲接觸點P的位置,從而改變接入電路中電阻絲的長度?？晒┻x擇的器材還有:電池組E(電動勢為3.0 V,內阻約為1 );電流表A1(量程0100 mA,內阻約為5 );電

10、流表A2(量程00.6 A,內阻約為0.2 );電阻箱R(0999.9 );開關、導線若干。實驗操作步驟如下:A.用螺旋測微器在電阻絲上三個不同的位置分別測量電阻絲的直徑;B.將選用的實驗器材,按照圖甲連接實驗電路;C.調節(jié)電阻箱使其接入電路中的電阻值較大;D.將金屬夾夾在電阻絲上某位置,閉合開關,調整電阻箱的阻值,使電流表滿偏,然后斷開開關,記錄電阻箱的電阻值R和接入電路的電阻絲長度L;E.改變金屬夾與電阻絲接觸點的位置,閉合開關,調整電阻箱的阻值,使電流表再次滿偏,重復多次,記錄每一次電阻箱的電阻值R和接入電路的電阻絲長度L;F.斷開開關,整理好器材。(1)某次測量電阻絲直徑d時,螺旋測微

11、器示數(shù)如圖乙所示,則d=_mm。(2)實驗中電流表應選擇_(選填“A1”或“A2”)。(3)用記錄的多組電阻箱的阻值R和對應的接入電路中電阻絲長度L的數(shù)據,繪出了如圖丙所示的R-L關系圖線。圖線在R軸的截距為R0,在L軸的截距為L0,再結合測出的電阻絲直徑d,寫出電阻絲的電阻率表達式=_(用給定的物理量符號和已知常數(shù)表示)。(4)本實驗中,電流表的內阻對電阻率的測量結果_影響(選填“有”或“無”)?！窘馕觥?1)根據螺旋測微器讀數(shù)規(guī)則可得d=0.5 mm+0.232 mm=0.732 mm。(2)根據題意,電路中可能出現(xiàn)的最大電流為I= QUOTE =0.15 A=150 mA,故電流表選擇A

12、1即可。(3)由閉合電路的歐姆定律可知,E=I(R+r+RA+R電阻絲)=I(R+r+RA+ QUOTE ),聯(lián)立解得R= QUOTE -r-RA- QUOTE L,由已知條件可知,k=- QUOTE =- QUOTE ,解得= QUOTE 。(4)由= QUOTE 可知,本實驗中電流表的內阻RA對電阻率的測量結果無影響。答案:(1)0.732(2)A1(3) QUOTE (4)無【創(chuàng)新評價】實驗原理的創(chuàng)新(1)采用等效法測變化的電阻;(2)通過R-L圖線求電阻率。課堂檢測素養(yǎng)達標1.在“測定金屬絲的電阻率”的實驗中,用螺旋測微器測量金屬絲的直徑d,如圖甲所示,則金屬絲的直徑為_mm。用游標卡

13、尺測量金屬絲的長度L,如圖乙所示,則長度為_mm。若測得該金屬絲的電阻為R,則其電阻率=_(用題中字母表示)?！窘馕觥柯菪郎y微器固定刻度與可動刻度示數(shù)之和是螺旋測微器示數(shù),故金屬絲直徑d=0+31.50.01 mm=0.315 mm;游標卡尺的讀數(shù)是由主尺與游標尺的示數(shù)之和,故金屬絲的長度L=13 mm+8 QUOTE mm=13.40 mm。根據電阻定律有:R= QUOTE ,求得電阻率為:= QUOTE = QUOTE 。答案:0.315(0.3130.317) 13.40 QUOTE 2.在測金屬絲電阻率的實驗中,回答下列問題。(1)測得某金屬絲的有效長度為L,直徑為d,兩端的電壓為U,

14、通過它的電流為I,可以得到該金屬絲的電阻率=_(用題中所給的物理量符號表示)。(2)若金屬絲的電阻約為5 ,電流表內阻約為1 ,電壓表內阻約為1 k,則實驗中應該將電流表_(選填“內接”或“外接”)。(3)若實驗中采取電流表內接法,則金屬絲電阻率實際測量值_(選填“偏大”“偏小”或“不變”)?！窘馕觥?1)根據電阻定律有R= QUOTE = QUOTE ,又R= QUOTE ,解得= QUOTE 。(2)由題中數(shù)據可知Rx=5 QUOTE =10 QUOTE ,故應采用電流表外接法。(3)若采用內接法,因為金屬絲的電阻較小,由于電流表的分壓作用,電壓的測量值偏大,根據= QUOTE 可知金屬絲

15、電阻率實際測量值也偏大。答案:(1) QUOTE (2)外接(3)偏大3.在測定金屬絲電阻率的實驗中:(1)如圖1所示,用50分度游標卡尺測量待測金屬絲的直徑,其示數(shù)是_ mm。(2)按題圖2所示的電路圖在題圖3中用筆畫線代替導線,補充連接實物電路示意圖?！窘馕觥?1)由圖1所示游標卡尺可知,其示數(shù)為:10 mm+260.02 mm=10.52 mm;(2)根據圖2所示電路圖連接實物電路圖,實物電路圖如圖所示:答案:(1)10.52(2)見解析4.某同學設計了一個檢測河水電阻率的實驗。他在一根粗細均勻的長玻璃管兩端裝上兩個橡膠塞和鉑電極,如圖甲所示,兩電極相距L=0.314 m,其間充滿待測的

16、河水。他選用了以下儀器測量玻璃管內河水的電阻:量程15 V,內阻約300 k的電壓表;量程300 A,內阻約 50 的電流表;最大阻值1 k的滑動變阻器;電動勢E=12 V,內阻r=6 的電池組;開關一只、導線若干。(1)該同學裝入河水前先用游標卡尺測量玻璃管的內徑,結果如圖乙所示。玻璃管的內徑d=_mm。(2)該同學設計了合理的測量電路,通過改變滑動變阻器阻值測得了玻璃管兩端的電壓和電流,并在圖丁的U-I坐標系內描出了9個數(shù)據點。請在圖丙的實物圖中用筆畫線代替導線完善電路的連接。(3)請在圖丁中作出U-I圖像,計算出玻璃管內水柱的電阻R=_,電阻率=_m(結果保留三位有效數(shù)字)?！窘馕觥?1

17、)主尺讀數(shù)為5 mm,游標尺為20分度,精度值為0.05 mm,所以游標卡尺的讀數(shù)為d=5 mm+0.0510 mm=5.50 mm。(2)根據U-I圖像可知電流從零開始,所以滑動變阻器應用分壓式接法,由于水柱的電阻遠大于電流表內阻,所以電流表應用內接法,實物連線圖如圖所示:(3)根據描點法,在圖中畫出U-I圖像,用直線將盡可能多的點連起來,如圖則圖像的斜率表示水柱的電阻,則有R= QUOTE = QUOTE =1.00105 (0.9231051.08105 ),根據電阻定律R= QUOTE ,且S= QUOTE ,解得=R QUOTE ,代入數(shù)據可算出河水的電阻率=7.56 m(6.988

18、.17 m)。答案:(1)5.50(2)見解析圖(3)見解析圖1.00105(0.9231051.08105)7.56(6.988.17)【加固訓練】某課題組通過實驗測量河水的電阻率。現(xiàn)備有一根均勻的長玻璃管(兩端各有一個可移動圓形電極,可裝入樣品水,接觸電阻不計)、直尺、待測的水樣品。他們用伏安法多次測量的數(shù)據如表(為使實驗處理方便,實驗時每次都把電流表示數(shù)調到相同);實驗中還用10分度的游標卡尺測量了玻璃管的內徑,結果如圖甲所示。序號水柱長度/cm電壓表示數(shù)/V電流表示數(shù)/A110210022041003306100440810055010100(1)玻璃管內徑d的測量值為_cm。(2)用水柱長度L與計算出的水柱電阻R在圖乙中描點,畫出R-L圖像(要求標出坐標軸的物理量、單位