
科學(xué)思維
1.掌握電流表、電壓表和滑動變阻器的使用方法。
科學(xué)探究
1.學(xué)會利用伏安法測電阻,進(jìn)一步測出金屬絲的電阻率。
科學(xué)態(tài)度與責(zé)任
1.通過使用游標(biāo)卡尺或螺旋測微器測量長度,以及測量電阻等過程,進(jìn)一步形成自覺遵守實驗操作規(guī)范和謹(jǐn)慎操作的習(xí)慣。
1.實驗原理
(1)把金屬絲接入電路中,用伏安法測金屬絲的電阻R(R=eq \f(U,I)).電路原理圖如圖1所示.
圖1
(2)用毫米刻度尺測出金屬絲的有效長度l,用螺旋測微器測出金屬絲的直徑d,算出橫截面積S(S=eq \f(πd2,4)).
(3)由電阻定律R=ρeq \f(l,S),得ρ=eq \f(RS,l)=eq \f(πd2R,4l)=eq \f(πd2U,4lI),求出電阻率.
2.實驗器材
螺旋測微器或游標(biāo)卡尺、毫米刻度尺、電壓表、電流表、開關(guān)及導(dǎo)線、待測金屬絲、電池、滑動變阻器.
3.實驗步驟
(1)測直徑:因為電阻絲比較細(xì),所以直接用刻度尺測量就會產(chǎn)生比較大的誤差。用游標(biāo)卡尺或螺旋測微器測量電阻絲的直徑,在電阻絲的不同位置測量3次,求得直徑的平均值。
(2)連電路:按如圖1所示的電路圖連接實驗電路.
(3)測長度:電阻絲長度的測量工具應(yīng)選用刻度尺。需要注意,在測量電阻絲的長度時,測量的并不是電阻絲的總長度,而是接入電路的有效長度l。反復(fù)測量多次,得到有效長度的平均值。
(4)求電阻:把滑動變阻器的滑動觸頭調(diào)節(jié)到使接入電路中的電阻值最大的位置,電路經(jīng)檢查確認(rèn)無誤后,閉合開關(guān)S.改變滑動變阻器滑動觸頭的位置,讀出幾組相應(yīng)的電流表、電壓表的示數(shù)I和U的值,記入表格內(nèi),斷開開關(guān)S.
(5)拆除實驗電路,整理好實驗器材.
4.?dāng)?shù)據(jù)處理
電阻R的數(shù)值可用以下兩種方法確定:
(1)計算法:利用每次測量的U、I值分別計算出電阻,再求出電阻的平均值作為測量結(jié)果.
(2)圖像法:可建立U-I坐標(biāo)系,將測量的U、I值描點作出圖像,利用圖像的斜率來求出電阻值R.
5.注意事項
(1)因一般金屬絲電阻較小,為了減小實驗的系統(tǒng)誤差,必須選擇電流表外接法;
(2)測量l時應(yīng)測接入電路的金屬絲的有效長度(即兩接線柱之間的長度,且金屬絲伸直);在金屬絲的3個不同位置上用螺旋測微器測量直徑d.
(3)電流不宜過大(電流表用0~0.6 A量程),通電時間不宜太長,以免電阻率因溫度升高而變化.
1.判斷下列說法的正誤.
(1)閉合開關(guān)S前,滑動變阻器的滑片應(yīng)處在使金屬絲兩端電壓為零的位置。( √ )
(2)實驗中應(yīng)調(diào)節(jié)滑動變阻器,取得多組U和I的值,然后求出電阻平均值。( √ )
(3)應(yīng)選用毫米刻度尺測整根金屬絲的長度三次,然后求出長度平均值。 ( × )
解析:計算電阻率公式中的l應(yīng)為接入電路中的長度,并不是整根金屬絲的長度。
(4)實驗中電流不能太大,以免電阻率發(fā)生變化。 ( √ )
(5)由ρ=πd2U4Il得,對實驗結(jié)果準(zhǔn)確性影響最大的是直徑d的測量。 ( √ )
一、實驗原理及操作
知識深化
1.數(shù)據(jù)分析
將測量的數(shù)據(jù)記入設(shè)計的表格中,并計算出金屬絲的阻值、橫截面積和長度,將以上計算出的數(shù)據(jù)代入ρ=RSl,求出電阻率。
2.注意事項
(1)因一般金屬絲電阻較小,為了減小實驗的系統(tǒng)誤差,必須選擇電流表外接法。
(2)本實驗若用限流式接法,在接通電源之前應(yīng)將滑動變阻器調(diào)到阻值最大狀態(tài)。
(3)測量l時應(yīng)測接入電路中的金屬絲的有效長度(即兩接線柱之間的長度);在金屬絲的3個不同位置上用螺旋測微器測量直徑d。
(4)電流不宜過大(電流表用0~0.6 A量程),通電時間不宜太長,以免電阻率因溫度升高而變化。
例1 在“金屬絲電阻率的測量”的實驗中,用刻度尺測量金屬絲直徑時的刻度位置如圖2所示,金屬絲的匝數(shù)為39,用米尺測出金屬絲的長度L,金屬絲的電阻大約為5 Ω,先用伏安法測出金屬絲的電阻R,
圖2
(1)從圖中得出金屬絲的直徑為________mm.
(2)為此取來兩節(jié)新的干電池、開關(guān)和若干導(dǎo)線及下列器材:
A.電壓表0~3 V,內(nèi)阻約10 kΩ
B.電壓表0~15 V,內(nèi)阻約50 kΩ
C.電流表0~0.6 A,內(nèi)阻約0.05 Ω
D.電流表0~3 A,內(nèi)阻約0.01 Ω
E.滑動變阻器,0~10 Ω
F.滑動變阻器,0~100 Ω
①要求較準(zhǔn)確地測出其阻值,電壓表應(yīng)選________,電流表應(yīng)選________,滑動變阻器應(yīng)選________.(填序號)
②實驗中某同學(xué)的實物連線如圖3所示,請指出該同學(xué)實物連線中的兩處明顯錯誤.
圖3
錯誤a:________________________________________________________________________________________________________________________________________________;
錯誤b:________________________________________________________________________________________________________________________________________________.
答案 (1)0.649(0.645~0.651均可)
(2)①A C E
②錯誤a:導(dǎo)線連接在滑動變阻器的滑片上;錯誤b:采用了電流表內(nèi)接法.
解析 (1)從題圖中可讀出緊密繞制的金屬絲的寬度為2.53 cm,故直徑為eq \f(2.53 cm,39)≈0.064 9 cm=0.649 mm(0.645~0.651 mm均可).
(2)①因為兩節(jié)干電池的電壓是3 V,故用3 V量程的電壓表A;因為金屬絲的電阻大約為5 Ω,如果把3 V的電壓全加在金屬絲上,電流才是0.6 A,因此用量程是0.6 A的電流表C;此題中金屬絲的電阻大約為5 Ω,為了減小實驗誤差且便于調(diào)節(jié),應(yīng)選10 Ω的滑動變阻器E.
②錯誤a:導(dǎo)線連接在滑動變阻器的滑片上 錯誤b:采用了電流表內(nèi)接法.
1.電表選擇原則
(1)安全原則:電表兩端的電壓(或流過的電流)不大于其量程。
(2)精確原則:在保證電表安全時,選擇量程小的電表,指針偏轉(zhuǎn)角度一般不小于量程的13。
2.滑動變阻器的選擇原則
(1)安全原則:流過的電流不超過其額定電流。
(2)精確、便于操作原則:若采用限流式接法,選擇總電阻R0與負(fù)載電阻R相差不多,或R0較大(R0約為5R~10R)的滑動變阻器;若采用分壓式接法,選擇總電阻R0遠(yuǎn)小于負(fù)載電阻R(R0為0.1R~0.2R)的滑動變阻器。
3.實物連線原則
一般從電源開始,先連接串聯(lián)的元件,后連接并聯(lián)的元件。
注意:導(dǎo)線不能交叉,各導(dǎo)線要接到接線柱上,連接電表的導(dǎo)線滿足電流“紅(+)入,黑(-)出”,滑動變阻器接入電路的電阻最大。
二、實驗數(shù)據(jù)處理
INCLUDEPICTURE "E:\\張瀟\\2020\\同步\\例2.TIF" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "E:\\張瀟\\2020\\同步\\例2.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "E:\\張瀟\\2020\\同步\\例2.TIF" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "E:\\張瀟\\2020\\同步\\物理 人教 必修3 新教材\\Wrd\\例2.TIF" \* MERGEFORMATINET 例2 在“金屬絲電阻率的測量”實驗中,所用測量儀器均已校準(zhǔn).待測金屬絲接入電路部分的長度約為50 cm.
圖4
(1)用螺旋測微器測量金屬絲的直徑,其中某一次測量結(jié)果如圖4所示,其讀數(shù)應(yīng)為________ mm(該值接近多次測量的平均值).
(2)用伏安法測金屬絲的電阻Rx.實驗所用器材為電池組(電壓3 V)、電流表(內(nèi)阻約0.1 Ω)、電壓表(內(nèi)阻約3 kΩ)、滑動變阻器R(0~20 Ω,額定電流2 A)、開關(guān)、導(dǎo)線若干.
某小組同學(xué)利用以上器材正確連接好電路,進(jìn)行實驗測量,記錄數(shù)據(jù)如下:
這個小組的同學(xué)在坐標(biāo)紙上建立U-I坐標(biāo)系,如圖5所示,圖中已標(biāo)出了與測量數(shù)據(jù)對應(yīng)的4個坐標(biāo)點.請在圖中標(biāo)出第2、4、6次測量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)點,并描繪出U-I圖線.由圖線得到金屬絲的阻值Rx=________ Ω(保留兩位有效數(shù)字).
圖5
(3)根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以估算出金屬絲電阻率約為________.
A.1×10-2 Ω·m B.1×10-3 Ω·m
C.1×10-6 Ω·m D.1×10-8 Ω·m
答案 (1)0.398(0.395~0.399均可) (2)見解析圖 4.4(4.3~4.7均可) (3)C
解析 (1)螺旋測微器的讀數(shù)為0 mm+39.8×0.01 mm=0.398 mm.
(2)圖線應(yīng)過原點,選盡可能多的點連成一條直線,不在直線上的點均勻分布在直線兩側(cè),明顯偏離的點應(yīng)舍去,如圖所示.
圖線的斜率反映了金屬絲的電阻,因此金屬絲的電阻值Rx≈4.4 Ω.
(3)根據(jù)Rx=ρeq \f(l,S)得金屬絲的電阻率ρ=eq \f(RxS,l)=eq \f(πRxd2,4l)=eq \f(3.14×4.4×?0.398×10-3?2,4×0.5) Ω·m
≈1×10-6 Ω·m,故選項C正確.
針對訓(xùn)練1 用伏安法測量電阻R的阻值,進(jìn)而求出電阻率ρ,某實驗小組測出了6組電壓、電流值,并在U-I圖像中進(jìn)行描點,如圖6所示.
(1)根據(jù)圖像中描點情況,寫出分析數(shù)據(jù)求解R值的步驟:________________________________________________________________________________________________________.
圖6
(2)求出的電阻值R=________.(保留3位有效數(shù)字)
(3)待測電阻是由均勻材料制成的圓柱體,用50分度的游標(biāo)卡尺測量其長度與直徑,結(jié)果分別如圖7甲、乙所示.由圖可知其長度為________ cm,直徑為________ cm.
圖7
(4)由以上數(shù)據(jù)可求出ρ=________.(保留1位有效數(shù)字)
答案 (1)見解析 (2)229 Ω(217~237 Ω均正確) (3)0.800 0.190 (4)8×10-2 Ω·m
解析 (1)①作U-I圖線,圖線應(yīng)為過原點的直線,使直線過盡可能多的點,不在直線上的點均勻分布在直線兩側(cè),偏離直線較遠(yuǎn)的點(左起第2個點)應(yīng)舍棄;②求該直線的斜率k,則R=k.
(2)在圖像中的直線上取兩點,求出R≈229 Ω.
(3)題圖甲讀數(shù)l=8 mm+0×0.02 mm=8.00 mm=0.800 cm
題圖乙讀數(shù)d=1 mm+45×0.02 mm=1.90 mm=0.190 cm
(4)由R=ρeq \f(l,S),得ρ=eq \f(RS,l)=eq \f(229×π×?\f(0.190,2)×10-2?2,0.800×10-2) Ω·m≈8×10-2 Ω·m
1.現(xiàn)有一合金制成的圓柱體,為測量該合金的電阻率,現(xiàn)用伏安法測圓柱體兩端之間的電阻,用螺旋測微器測量該圓柱體的直徑,用游標(biāo)卡尺測量該圓柱體的長度.螺旋測微器和游標(biāo)卡尺的示數(shù)如圖8(a)和(b)所示.
圖8
(1)圓柱體的直徑為________ mm,長度為________ cm.
(2)若流經(jīng)圓柱體的電流為I,圓柱體兩端間的電壓為U,圓柱體的直徑和長度分別用D、L表示,則用測得的D、L、I、U表示的電阻率的關(guān)系式為ρ=________.
答案 (1)1.847 4.240 (2)eq \f(πD2U,4IL)
解析 (1)由題圖(a)可知,螺旋測微器固定刻度示數(shù)為1.5 mm,可動刻度示數(shù)為34.7×0.01 mm=0.347 mm,螺旋測微器示數(shù)為1.5 mm+0.347 mm=1.847 mm;
由題圖(b)可知,游標(biāo)卡尺主尺示數(shù)為4.2 cm,游標(biāo)尺示數(shù)為8×0.05 mm=0.40 mm,游標(biāo)卡尺示數(shù)為42 mm+0.40 mm=42.40 mm=4.240 cm;
(2)根據(jù)電阻定律,有R=ρeq \f(L,S)=ρeq \f(L,π?\f(D,2)?2),又R=eq \f(U,I)
解得ρ=eq \f(πD2U,4IL).
2.在“金屬絲電阻率的測量”的實驗中,待測金屬絲的電阻Rx約為5 Ω,實驗室備有下列實驗器材:
A.電壓表(量程0~3 V,內(nèi)阻約為15 kΩ);
B.電壓表(量程0~15 V,內(nèi)阻約為75 kΩ);
C.電流表(量程0~3 A,內(nèi)阻約為0.2 Ω);
D.電流表(量程0~0.6 A,內(nèi)阻約為1 Ω);
E.滑動變阻器R1(0~10 Ω,0.6 A);
F.滑動變阻器R2(0~2 000 Ω,0.1 A);
G.電池組E(3 V);
H.開關(guān)S,導(dǎo)線若干.
(1)為減小實驗誤差,應(yīng)選用的實驗器材有________(填器材前面的序號).
(2)為減小實驗誤差,本實驗采用電路圖如圖9所示.請把如圖10中的實物圖用線連接起來.
圖9
圖10
(3)若用毫米刻度尺測得金屬絲長度為60.00 cm,用螺旋測微器測得金屬絲的直徑及兩電表的示數(shù)如圖11所示,則金屬絲的直徑為__________ mm,電阻值為__________ Ω.
圖11
答案 (1)ADEGH (2)見解析圖 (3)0.636(0.634~0.638均可) 2.4
解析 (1)由于電源電動勢為3 V,所以電壓表應(yīng)選A;被測電阻約為5 Ω,電路中的最大電流約為I=0.6 A,電流表應(yīng)選D;根據(jù)滑動變阻器允許通過的最大電流可知,滑動變阻器應(yīng)選E;還要選用電池組和開關(guān),導(dǎo)線若干.故應(yīng)選用的實驗器材有A、D、E、G、H.
(2)實物連接如圖所示.
(3)從螺旋測微器可以讀出金屬絲的直徑為0.636 mm,從電壓表可以讀出電阻兩端電壓為1.20 V,從電流表可以讀出通過電阻的電流為0.50 A,被測金屬絲的阻值為
Rx=eq \f(Ux,Ix)=eq \f(1.20,0.50) Ω=2.4 Ω.
1.圖1甲、乙和丙分別是用游標(biāo)卡尺和螺旋測微器測量長度,圖甲讀數(shù)為________,圖乙讀數(shù)為________,圖丙讀數(shù)為________.
圖1
答案 4.120 cm 0.990 mm 1.510 mm
解析 題圖甲主尺上讀數(shù)為4.1 cm,游標(biāo)尺上第10格與主尺刻度對齊,精確度為0.02 mm,故讀數(shù)為41 mm+0.02×10 mm=41.20 mm=4.120 cm.題圖乙螺旋測微器固定刻度讀數(shù)為0.5 mm,可動刻度上讀數(shù)為49.0×0.01 mm,故讀數(shù)為0.5 mm+49.0 mm×0.01=0.990 mm.題圖丙中固定刻度讀數(shù)為1.5 mm,可動刻度讀數(shù)為0.010 mm,長度為1.510 mm.
2.(2018·齊齊哈爾市高二期末)在做“金屬絲電阻率的測量”實驗時.
圖2
(1)用螺旋測微器測量金屬絲的直徑.如圖2所示,由圖讀出金屬絲的直徑是________ mm.
(2)需要對金屬絲的電阻進(jìn)行測量.已知金屬絲的電阻阻值Rx約為5 Ω;一位同學(xué)用伏安法對這個電阻的阻值進(jìn)行了比較精確的測量,這位同學(xué)想使被測電阻Rx兩端的電壓從零開始調(diào)節(jié).他可選用的器材有:
A.直流電源(6 V,內(nèi)阻不計)
B.直流電流表(量程0~0.6 A,內(nèi)阻約為5 Ω)
C.直流電流表(量程0~3 A,內(nèi)阻約為0.1 Ω)
D.直流電壓表(量程0~3 V,內(nèi)阻約為6 kΩ)
E.直流電壓表(量程0~15 V,內(nèi)阻約為15 kΩ)
F.滑動變阻器(0~10 Ω,2 A)
G.滑動變阻器(0~1 kΩ,0.5 A)
H.開關(guān)
I.導(dǎo)線若干
以上器材中電流表選用________(填序號),電壓表選用________(填序號),滑動變阻器選用________(填序號).
(3)請在方框中畫出實驗電路圖.
答案 (1)0.740 (2)B D F (3)見解析圖
解析 (1)金屬絲的直徑是:0.5 mm+0.1 mm×24.0=0.740 mm.
(2)電源電壓為6 V,電壓表選擇量程為0~3 V的D;待測電阻阻值約為5 Ω,電路中的最大電流不超過I=eq \f(3,5) A=0.6 A,則電流表選B;滑動變阻器應(yīng)選擇阻值較小的F.
(3)實驗電路圖如圖所示
3.一根細(xì)長而均勻的金屬管線樣品,長約60 cm,電阻約6 Ω,截面圖如圖3所示.
(1)用螺旋測微器測量金屬管線的外徑,示數(shù)如圖4所示,金屬管線的外徑為________ mm.
圖3 圖4
(2)實驗室有如下器材:
A.電流表(量程0.6 A,內(nèi)阻約0.1 Ω)
B.電流表(量程3 A,內(nèi)阻約0.03 Ω)
C.電壓表(量程3 V,內(nèi)阻約3 kΩ)
D.滑動變阻器(1 750 Ω,0.3 A)
E.滑動變阻器(15 Ω,3 A)
F.蓄電池(6 V,內(nèi)阻不計)
G.開關(guān)一個,帶夾子的導(dǎo)線若干
要進(jìn)一步精確測量金屬管線樣品的阻值,電流表應(yīng)選________,滑動變阻器應(yīng)選________.(只填代號字母).
(3)將如圖5所示的實物電路補(bǔ)充完整.
圖5
(4)金屬管線樣品材料的電阻率為ρ,通過多次測量得出金屬管線的電阻為R,金屬管線的外徑為d,要想求得金屬管線內(nèi)形狀不規(guī)則的中空部分的截面積S,在前面實驗的基礎(chǔ)上,還需要測量的物理量是________.計算中空部分截面積的表達(dá)式為S=________.
答案 (1)1.125±0.001
(2)A E
(3)如圖所示
(4)管線長度L eq \f(πd2,4)-eq \f(ρL,R)
4.(2019·天津卷改編)現(xiàn)測定長金屬絲的電阻率.
(1)某次用螺旋測微器測量金屬絲直徑的結(jié)果如圖6所示,其讀數(shù)是________mm.
圖6
(2)利用下列器材設(shè)計一個電路,盡量準(zhǔn)確地測量一段金屬絲的電阻.這段金屬絲的電阻Rx約為100 Ω,畫出實驗電路圖,并標(biāo)明器材代號.
電源E(電壓10 V)
電流表A1(量程0~250 mA,內(nèi)阻R1=5 Ω)
電流表A2(量程0~300 mA,內(nèi)阻約為5 Ω)
滑動變阻器R(最大阻值10 Ω,額定電流2 A)
開關(guān)S及導(dǎo)線若干
(3)某同學(xué)設(shè)計方案正確,測量得到電流表A1的讀數(shù)為I1,電流表A2的讀數(shù)為I2,則這段金屬絲電阻的計算式Rx=________.
答案 (1)0.200(0.196~0.204均可)
(2)如圖所示
(3)eq \f(I1R1,I2-I1)
解析 (1)由螺旋測微器的讀數(shù)規(guī)則可知,該金屬絲的直徑應(yīng)為0 mm+20.0×0.01 mm=0.200 mm;
(2)對提供的實驗器材分析可知,由于滑動變阻器的總電阻比待測電阻的阻值小得多,因此滑動變阻器應(yīng)采用分壓接法,由于沒有提供電壓表,因此可以用內(nèi)阻已知的電流表充當(dāng)電壓表,即將A1作為電壓表,由于A1的內(nèi)阻已知,因此A2應(yīng)采用外接法;
(3)由電路圖可知,Rx=eq \f(I1R1,I2-I1).
次數(shù)
1
2
3
4
5
6
7
U/V
0.10
0.30
0.70
1.00
1.50
1.70
2.30
I/A
0.020
0.060
0.160
0.220
0.340
0.460
0.520
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