1、第6节科学测量:金属丝的电阻率新 课 程 标 准学 业 质 量 目 标通过实验,会测量金属丝的电阻率。合格性考试1.尝试提出金属丝电阻率的测量中可探究的物理问题。2.通过他人的帮助,可以制定科学探究方案,能考虑实验操作的安全问题。3.可以使用实验器材获得测量金属丝电阻率的数据,并形成初步的实验结论。实验属性学生必做实验选择性考试1.能根据实验数据形成结论,尝试分析导致实验误差的原因。2.初步撰写一篇关于金属丝电阻率测量的实验报告,并与他人交流探究过程和结果。实验必备自主学习一、实验目的1.学习伏安法测电阻的方法。2.测量金属丝的电阻率。二、实验器材刻度尺、螺旋测微器、学生电源、滑动变阻器、电压
2、表、电流表、开关、金属丝、导线。用伏安法测量金属丝的电阻时,选用电流表的内接法还是外接法?提示:根据金属丝的电阻的大小不同选用的方法不同。如果金属丝的电阻较小,选用电流表的外接法。三、实验原理与设计1.实验原理:(1)电阻率的测定原理:由电阻定律R=可知,金属的电阻率=R,因此测出金属导线的长度l和它的直径d,计算出导线的横截面积S,并用伏安法测出金属导线的电阻R=,即可由=算出金属导线的电阻率。(2)伏安法测电阻:电流表的接法内 接 法外 接 法电路误差分析电压表示数UV=UR+UAUR电流表示数IA=IRR测=R真误差来源于电流表的分压作用电压表示数UV=UR电流表示数IA=IR+IVIR
3、R测=R真误差来源于电压表的分流作用适用条件RRARRV2.实验设计物理量的测量及计算方法:(1)电阻的测量。根据欧姆定律可得:R=。(2)截面积的测量。根据圆的面积公式可得:S=()2。(3)电阻率的测量。根据电阻的决定式R=可得电阻率:=。实验过程探究学习 实验步骤 1.测直径: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.测长度:将金属丝两端固定在接线柱上悬空挂直,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.连器材:依照如图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。4.测数据:电路经检查无误后,闭合开关S,改变滑动变阻器滑片
4、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。(1)为什么金属丝的长度和直径的测量要选用不同的测量工具?选择测量工具的依据是什么?提示:金属丝的长度测量用刻度尺,直径的测量用螺旋测微器。依据是两者的量程和精度不同。(2)实验过程中,应注意哪些方面的安全操作问题?提示:接通开关前,注意检查电源是否短路,是否正确连接电表,以免损坏实验器材。闭合开关S之前,一定要使滑动变阻器的滑片处在有效电阻值最大的位置。 数据收集与分析 1.列l、d数据收集表:测量次数123平均值导线长l/m导线直径d/m导线的截面积S=()2(公式)=(代入数据
5、)=m2。2.列U、I、R的数据收集表:测量次数123电阻平均值电压U/V电流I/A电阻R/所测金属的电阻率=(公式)=(代入数据)=m。3.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)将测得的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。本实验中,金属丝的电阻是通过测量多组数据求其平均值得到的。为了减小实验误差,请提出另外一种处理金属丝电阻实验数据的方法?提示:可建立U-I坐标系,将测量的U、I值对应描点作出图像,利用图像斜率来求出电阻值R。 误差分析 1.实验原理不完善造成系统误差:采用伏安
6、法测量金属丝的电阻时,由于采用的是电流表外接法,测量值小于真实值,使电阻率的测量值偏小。2.测量、操作不够准确造成偶然误差:(1)金属丝的横截面积是利用直径计算而得,直径的测量是产生误差的原因之一。(2)金属丝的长度测量、电流表和电压表的读数等会带来偶然误差。(3)由于金属丝通电后发热升温,会使金属丝的电阻率变大,造成测量误差。根据误差分析,请从实验测量的角度提出减小误差的方法。提示:(1)测量被测金属丝的有效长度,是指测量被测金属丝接入电路的两个端点之间的长度,测量时应将金属丝拉直,反复测量三次,求其平均值。(2)测金属丝直径一定要选三个不同部位进行测量,求其平均值。(3)在用伏安法测电阻时
7、,通过被测金属丝的电流强度I不宜过大,通电时间不宜过长,以免金属丝的温度明显升高,造成其电阻率在实验过程中逐渐增大。实验研析创新学习类型一教材原型实验角度1实验原理和实验操作【典例1】现有一合金制成的圆柱体,某兴趣小组为测量该合金的电阻率,现用伏安法测量圆柱体两端之间的电阻,用螺旋测微器测量该圆柱体的直径,用游标卡尺测量该圆柱体的长度。(1)若流经圆柱体的电流为I,圆柱体两端之间的电压为U,圆柱体的直径和长度分别用D、L表示,则用D、L、I、U表示的电阻率的关系式为=。(2)该兴趣小组粗测该圆柱体的电阻约为10 ,为了更准确测定其电阻率,实验室中有以下供选择的器材:A.电池组(3 V,内阻忽略
8、不计)B.电流表A1(03 A,内阻0.0125 )C.电流表A2(00.6 A,内阻约为0.125 )D.电压表V1(03 V,内阻4 k)E.电压表V2(015 V,内阻15 k)F.滑动变阻器R1(020 ,允许最大电流1 A)G.滑动变阻器R2(02 000 ,允许最大电流0.3 A)H.开关,导线若干为了使实验电路更节能,且测量结果尽量准确,测量时电流表应选,滑动变阻器应选。(填写器材前字母代号)(3)用伏安法测其电阻时,本实验需采用电流表(选填“外”或“内”)接法,测得的实验结果比起真实值(选填“偏大”或“偏小”)。【解析】(1)根据电阻定律以及欧姆定律有R=,所以电阻率为=;(2
9、)因为电源电动势为3 V,所以电压表选择D,电路中的最大电流为I=0.3 A,所以电流表选择C,因为待测电阻的阻值大约为10 ,为了使得调节时方便,且可以多测得几组数据,减小测量误差,滑动变阻器选择F;(3)因为Rx,则电流表应采用外接法,应选图乙所示电路图。答案:(1)1.721 mm(1.7211.723 mm都正确)(2)乙3.利用螺旋测微器、米尺和如图所示的器材(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。(1)用笔画线代替导线,将图甲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
10、,滑动变阻器的阻值为020 )。(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乙所示,电流表、电压表的读数如图丙所示。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=。(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)
11、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1.85010-3 m;米尺的读数是40.50 cm-10.00 cm=30.50 cm。(3)由电阻定律得= m4.410-5 m。答案:(1)见解析图(2)2.20 V0.44 A30.50 cm1.85010-3 m(3)4.410-5 m4.某同学测量一段长度已知的电阻丝的电阻率。实验操作如下:(1)螺旋测微器如图1所示。在测量电阻丝直径时,先将电阻丝轻轻地夹在测砧与测微螺杆之间,再旋动(选填“A”“B”或“C”),直到听见“喀喀
12、”的声音,以保证压力适当,同时防止螺旋测微器的损坏。(2)选择电阻丝的(选填“同一”或“不同”)位置进行多次测量,取其平均值作为电阻丝的直径。(3)图2甲中Rx为待测电阻丝。请用笔画线代替导线,将滑动变阻器接入图2乙实物电路中的正确位置。(4)为测量Rx,利用图2甲所示的电路,调节滑动变阻器测得5组电压U1和电流I1的值,作出的U1-I1关系图像如图3所示。接着,将电压表改接在a、b两端,测得5组电压U2和电流I2的值,数据见表格:U2/V0.501.021.542.052.55I2/mA20.040.060.080.0100.0请根据表中的数据,在图3中作出U2-I2图像。(5)由此,可求得
13、电阻丝的Rx=。根据电阻定律可得到电阻丝的电阻率。【解析】(1)为保护螺旋测微器,将电阻丝轻轻地夹在测砧与测微螺杆之间,再旋动微调旋钮C,直到听见“喀喀”的声音,以保证压力适当,同时防止螺旋测微器的损坏。(2)为减小实验误差,选择电阻丝的不同位置进行多次测量,取其平均值作为电阻丝的直径。(3)根据图示电路图连接实物电路图,实物电路图如图所示:(4)根据表中实验数据在坐标系内描出对应点,然后根据坐标系内描出的点作出图像如图所示:(5)由图示电路图可知:Rx+RA+R0= =49 ,RA+R0= =25.5 ,则电阻丝阻值:Rx=(49-25.5) =23.5 。答案:(1)C(2)不同(3)见解
14、析图(4)见解析图(5)23.5【加固训练】甲、乙两同学想利用实验室提供的器材测量某种电阻丝材料的电阻率,所用电阻丝的电阻约为20 ,长度约50 cm。(1)用螺旋测微器测量电阻丝直径,读数如图1甲,则其直径d为mm。(2)甲同学用图1乙所示电路测量,他把电阻丝拉直后将其两端固定在刻度尺两端的接线柱8和9上,连接好电路,闭合开关,将滑动变阻器的滑片移到最左端的过程中,发现电压表(量程03 V)和电流表(量程0100 mA)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(填图中表示接线柱的数字)之间出现了(选填“短路”或“断路”)。(3)乙同学用另外的方法测量电阻丝的电阻。他又找来一个电
15、阻箱R(0999.9 )、一个小金属夹,按照图2甲所示连接电路,在电阻丝上夹上一个与接线柱c相连的小金属夹,沿电阻丝移动金属夹,可改变其与电阻丝接触点P的位置,从而改变接入电路中电阻丝的长度。然后进行了如下操作:A.调节电阻箱,使其接入电路中的电阻值较大,闭合开关;B.将金属夹夹在电阻丝最左端,调整电阻箱接入电路中的电阻值,使电流表满偏,记录电阻箱的电阻值R和接入电路的电阻丝长度L;C.改变金属夹与电阻丝接触点的位置,调整电阻箱接入电路中的阻值,使电流表再次满偏。重复多次,记录每一次电阻箱的电阻值R和接入电路的电阻丝长度L;D.断开开关;E.用记录的多组电阻箱的电阻值R和对应的接入电路中的电阻
16、丝长度L的数据,绘出了如图2乙所示的R-L关系图线,图线在R轴的截距为R0,在L轴的截距为L0。结合测出的电阻丝直径d,可求出这种电阻丝材料的电阻率=(用给定的物理量符号和已知常数表示)。(4)若乙同学在本实验中的操作、读数及计算均正确无误,那么由于电流表内阻的存在,使电阻率的测量值与真实值相比(选填“偏大”“偏小”或“相等”)。【解析】(1)由图1甲螺旋测微器可知,其示数为:0 mm+26.00.01 mm=0.260 mm;(2)由图1乙所示可知,电压表示数等于电源电动势3 V,电流表示数为零,说明电路存在断路,由于电压表示数等于电源电动势,说明电压表两接线柱与电源两极相连,与电压表并联的电路之外的电路不存在断路,由此可知,电压表的并联电路存在断路,即电路中8、9之间出现了断路。(3)由实验步骤可知,外电路电阻不变,由串联电路特点可知,外电路总电阻为:R总=RA+R+R电=RA+R+=RA+R+由图像可知,当电阻丝接入电路的长度为零时,电路总电阻为:R总=R0+RA,则有:R0=+R,即R=R0-图像斜率为:k=-=-则电阻率为:=(4)应用图像法处理实验数据,电流表内阻对实验结果没有影响,电阻率的测量值与真实值相等。答案:(1)0.260(2)8、9断路(3)(4)相等关闭Word文档返回原板块