高中物理 第3章 恒定电流 实验：测定金属的电阻率教学案 鲁科版选修3-1

实验：测定金属的电阻率一、实验目的1掌握螺旋测微器的原理及读数方法。2练习使用电流表、电压表及伏安法测电阻。3测定金属的电阻率。二、实验原理1电阻率的测定原理 (1)把金属丝接入电路中，用伏安法测金属丝的电阻R。电路原理图如图1所示。图1(2)用毫米刻度尺测出金属丝的长度l，用螺旋测微器测出金属丝的直径d，算出横截面积S。(3)由电阻定律R，得，求出电阻率。2伏安法测电阻的两种电路类别电流表内接法电流表外接法电路图误差分析电压表示数UVURUAUR电流表示数IAIRR测R真电压表示数UVUR误差来源于电流表的分压作用电流表示数IAIRIVIRR测R真误差来源于电压表的分流作用适用条件RRARRV三、实验器材被测金属丝、米尺、螺旋测微器、电压表、电流表、直流电源、开关、滑动变阻器和导线若干。四、实验步骤1用螺旋测微器在导线的三个不同位置上各测一次，并记录。2将金属丝两端固定在接线柱上悬空拉直，用毫米刻度尺测量接入电路的金属丝长度l(即有效长度)，反复测量三次，并记录。3依照图2中所示的电路图用导线把器材连好，并把滑动变阻器的阻值调至最大。图24电路经检查无误后，闭合开关S，改变滑动变阻器滑动片的位置，读出几组相应的电流表、电压表的示数I和U的值；记入记录表格内，断开开关S。5整理好实验器材，实验结束。五、数据处理1根据记录结果，计算出金属丝的直径d和长度l的平均值。2根据记录的I、U值，计算出金属丝的平均电阻值R。3将测得R、l、d的值，代入电阻率计算公式中，计算出金属丝的电阻率。六、误差分析1金属丝直径、长度的测量带来偶然误差。2电流表外接法，R测R真导致测真(系统误差)。3通电时间过长，电流过大，都会导致电阻率发生变化(系统误差)。七、注意事项1导线的长度是连入电路的导线的有效长度(而不是金属丝的总长度)。2由于被测金属导线的阻值较小，为了减小测量误差，应选用电流表外接法。3测电阻时，电流不宜过大，通电时间不宜太长。4为准确求出R平均值，应采用UI图像法求电阻。附：螺旋测微器的构造、使用和读数1构造如图3所示为螺旋测微器的结构图。它的小砧A和固定刻度B固定在框架C上，旋钮D、微调旋钮D和可动刻度E、测微螺杆F连在一起，通过精密螺纹套在B上。图32测量原理螺旋测微器的螺距是0.5 mm，螺栓上可动刻度一周为50格，当螺栓每转一周时，前进(或后退)一个螺距0.5 mm。若螺栓每转过1格，前进(或后退)0.01 mm，因此螺旋测微器的精确度为0.01 mm。3操作与读数使用螺旋测微器时，将被测物体放在小砧A和测微螺杆F之间，先使用粗调旋钮D，在测微螺杆F快靠近被测物体时，改用微调旋钮D，听到咔咔声音停止转动，并用止动旋钮止动，然后读数。读数时，在固定刻度尺上读出大于0.5 mm的部分，在可动刻度上读出不足0.5 mm的部分，读可动刻度示数时还要注意估读一位数字。图4螺旋测微器的读数可用下式表示：螺旋测微器的读数固定尺上的读数可动尺上的读数精确度。如图4所示，读数为6.5 mm0.0120.3 mm6.703 mm。例1在测量金属丝电阻率的实验中，可供选用的器材如下。待测金属丝：Rx(阻值约为4 ，额定电流约0.5 A)；电压表：V(量程3 V，内阻约3 k)；电流表：A1(量程0.6 A，内阻约0.2 )；A2(量程3 A，内阻约为0.05 )；电源：E1(电动势3 V，内阻不计)；E2(电动势12 V，内阻不计)；滑动变阻器：R(最大阻值约20 )；螺旋测微器；毫米刻度尺；开关S；导线。图5(1)用螺旋测微器测量金属丝的直径，示数如图5所示，读数为_ mm。(2)若滑动变阻器采用限流接法，为使测量尽量精确，电流表应选_、电源应选_(均填器材代号)，请画出电路原理图。解析(1)螺旋测微器固定刻度上的读数为1.5 mm，可动刻度上的读数为27.30.01 mm0.273 mm，故螺旋测微器的读数应为1.5 mm0.273 mm1.773 mm。(2)由于待测电阻Rx的阻值约为4 ，额定电流约为0.5 A，故电流表选A1，电源选E1。实验电路原理图如图所示。答案(1)1.773(1.7711.775均正确)(2)A1E1见解析图例2在测定金属的电阻率的实验中，金属导线长约0.8 m，直径小于1 mm，电阻在5 左右，实验步骤如下：(1)用米尺测量金属导线的长度，测三次，求出平均值l，在金属导线的不同位置用_测量直径，求出平均值d。(2)用伏安法测量金属导线的电阻R。试把图6中所给的器材连接成测量R的合适的电路。图中电流表的量程为00.6 A，内阻接近1 ，电压表的量程为03 V，内阻为几千欧，电源的电动势为6 V，变阻器的阻值为020 ，在闭合开关前，变阻器的滑动触点应处于正确位置。图6(3)用上面测得的金属导线长度l、直径d和电阻R，可根据电阻率的表达式_算出所测金属的电阻率。解析(1)金属导线的直径用螺旋测微器测量。(2)连接电路图时，由于被测金属导线的电阻值较小，应采用电流表外接法，并且滑动变阻器采取限流式，闭合开关前，滑动变阻器的滑片处在最大阻值处。(3)由电阻定律R，有。答案见解析1(多选)做“测定金属的电阻率”实验时，除待测的金属丝、电流表、电压表、滑动变阻器、开关和足够的导线外，还需要下列哪些实验器材()A螺旋测微器B游标卡尺C米尺 D直流电源解析：选ACD测量金属丝的长度用米尺，测量金属丝的直径用螺旋测微器，还需直流电源，故A、C、D正确。2在“测定金属丝电阻率”的实验中，由可知，对实验结果的准确性影响最大的是()A导线直径d的测量 B电压U的测量C电流I的测量 D导线长度的测量解析：选A四个选项中的四个物理量对金属丝的电阻率均有影响，但影响最大的是直径d，因为在计算式中取直径的平方。3在测金属丝的电阻率的实验中，下列说法中错误的是()A用伏安法测电阻时，可采用电流表外接法B实验中应调节滑动变阻器，取得多组U和I的值，然后求出平均电阻C应选用毫米刻度尺测金属丝的长度三次，然后求出平均长度lD. 实验中电流不能太大，以免电阻率发生变化解析：选C测量的是接入电路中的金属丝的有效长度，故C错。4在“测定金属丝电阻率”的实验中需要测出其长度l、直径d和电阻R。图7(1)若用图7测金属丝的电阻，则测量结果将比真实值_。(选填“偏大”或“偏小”)(2)用电压表和电流表测金属丝的电压和电流时读数如图8所示，则电压表的读数为_ V，电流表的读数为_A。图8解析：(1)图中电流表采用外接法，故测量值偏小。(2)电压表精度为0.1 V，其读数为2.60 V；电流表精度为0.02 A，其读数为0.52 A。 答案：(1)偏小(2)2.600.525某同学测量一个圆柱体的电阻率，需要测量圆柱体的尺寸和电阻。(1)分别使用游标卡尺和螺旋测微器测量圆柱体的长度和直径，某次测量的示数如图9甲、乙所示，长度为_ cm，直径为_ mm。图9(2)按图丙所示连接电路后，实验操作如下：将滑动变阻器R1的阻值置于最_处(填“大”或“小”)；将S2拨向接点1，闭合S1，调节R1，使电流表示数为I0。将电阻箱R2的阻值调至最_(填“大”或“小”)，S2拨向接点2；保持R1不变，调节R2，使电流表示数仍为I0，此时R2阻值为1 280 。(3)由此可知，圆柱体的电阻为_ 。解析：(1)游标卡尺的精度为0.1 mm，所以L(5010.1)mm5.01 cm，螺旋测微器的读数为d(531.60.01)mm5.316 mm。(2)将滑动变阻器R1的阻值调至最大，是为了保护电流表和电源；将电阻箱R2的阻值调至最大，也是为了保护电流表和电源。(3)由等效替代法测量电阻的原理可知RxR21 280 。答案：(1)5.015.316(5.3145.318均正确)(2)大大(3)1 2806利用螺旋测微器、米尺和如图10所示的器材(其中电流表的内阻为1 ，电压表的内阻为5 k)测量一根粗细均匀的阻值约为5 的金属丝的电阻率。图10(1)用笔画线代替导线，将图10中的器材连接成实物电路，要求连线尽量避免交叉，电流表、电压表应该选择合适的量程(已知电源的电压为6 V，滑动变阻器的阻值为020 )。图实11(2)实验时，用螺旋测微器测量金属丝的直径和用米尺测量金属丝的长度示数如图11所示，电流表、电压表的读数如图12所示。由图可以读出金属丝两端的电压U_，流过金属丝的电流强度I_，金属丝的长度l_，金属丝的直径d_。图12(3)该金属丝的电阻率是_(保留两位有效数字)。解析：(1)由于金属丝的电阻比电压表的内阻小得多，因此采用电流表外接法；由于金属丝的电阻比滑动变阻器的总电阻要小，因此采用限流式接法，为了保证滑动变阻器起限流作用，滑动变阻器应该连接“A(B)、C”或“A(B)、D”几个接线柱；由图可以看出电流表应该连接“”接线柱和“0.6”接线柱，具体连线如图所示。(2)由图可以看出：电压表的量程是3 V，所以读数是2.20 V；电流表的量程是0.6 A，所以读数是0.44 A；由于螺旋测微器的半毫米刻度线已经露出，因此读数是1.850103 m；米尺的读数是40.50 cm10.00 cm30.50 cm。(3)由电阻定律得 m4.4105 m。答案：(1)见解析图(2)2.20 V0.44 A3050 cm1.850103 m(3)4.4105 m7某同学通过实验测量一种合金的电阻率。(1)用螺旋测微器测量合金丝的直径。为防止读数时测微螺杆发生转动，读数前应先旋紧如图13甲所示的部件_(选填“A”、“B”、“C”或“D”)。从图甲中的示数可读出合金丝的直径为_mm。(2)如图乙所示是测量合金丝电阻的电路，相关器材的规格已在图中标出。合上开关，将滑动变阻器的滑片移到最左端的过程中，发现电压表和电流表的指针只在图示位置发生很小的变化。由此可以推断：电路中_(选填图中表示接线柱的数字)之间出现了_(选填“短路”或“断路”)。图13(3)在电路故障被排除后，调节滑动变阻器，读出电压表和电流表的示数分别为2.23 V和38 mA，由此，该同学算出接入电路部分的合金丝的阻值为58.7 。为了更准确地测出合金丝的阻值，在不更换实验器材的条件下，对实验应作怎样的改进？请写出两条建议。解析：(1)读数前先旋紧B，示数为0.01 mm41.00.410 mm。(2)电压表的示数接近电源的电动势，电流表的示数很小，说明电压表串联在电路中，由此推断：合金丝没有接入电路中，