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文本内容:
2019-2020年高中物理第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
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12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S3由电阻定律R=,得ρ===,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UV=UR+UA>UR电流表示数IA=IRR测=>=R真电压表示数UV=UR误差来源于电流表的分压作用电流表示数IA=IR+IV>IRR测=<=R真误差来源于电压表的分流作用适用条件R≫RAR≪RV
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S5.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R3.将测得R、l、d的值,代入电阻率计算公式ρ==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ρ测ρ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
0.5mm,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
0.5mm若螺栓每转过1格,前进或后退
0.01mm,因此螺旋测微器的精确度为
0.01mm3.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
0.5mm的部分,在可动刻度上读出不足
0.5mm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
6.5mm+
0.01×
20.3mm=
6.703mm[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4Ω,额定电流约
0.5A;电压表V量程3V,内阻约3kΩ;电流表A1量程
0.6A,内阻约
0.2Ω;A2量程3A,内阻约为
0.05Ω;电源E1电动势3V,内阻不计;E2电动势12V,内阻不计;滑动变阻器R最大阻值约20Ω;螺旋测微器;毫米刻度尺;开关S;导线图51用螺旋测微器测量金属丝的直径,示数如图5所示,读数为________mm2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
1.5mm,可动刻度上的读数为
27.3×
0.01mm=
0.273mm,故螺旋测微器的读数应为
1.5mm+
0.273mm=
1.773mm2由于待测电阻Rx的阻值约为4Ω,额定电流约为
0.5A,故电流表选A1,电源选E1实验电路原理图如图所示[答案]
11.
7731.771~
1.775均正确2A1 E1 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
0.8m,直径小于1mm,电阻在5Ω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d2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0~
0.6A,内阻接近1Ω,电压表的量程为0~3V,内阻为几千欧,电源的电动势为6V,变阻器的阻值为0~20Ω,在闭合开关前,变阻器的滑动触点应处于正确位置图63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ρ=________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=ρ,有ρ==[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ρ=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71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
0.1V,其读数为
2.60V;电流表精度为
0.02A,其读数为
0.52A答案1偏小
22.60
0.525.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92按图丙所示连接电路后,实验操作如下
①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
②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1280Ω3由此可知,圆柱体的电阻为________Ω解析1游标卡尺的精度为
0.1mm,所以L=50+1×
0.1mm=
5.01cm,螺旋测微器的读数为d=5+
31.6×
0.01mm=
5.316mm2
①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;
②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Rx=R2=1280Ω 答案
15.01
5.
3165.314~
5.318均正确 2
①大
②大 312806.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1Ω,电压表的内阻为5kΩ测量一根粗细均匀的阻值约为5Ω的金属丝的电阻率图101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6V,滑动变阻器的阻值为0~20Ω图实112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123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“AB、C”或“AB、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3V,所以读数是
2.20V;电流表的量程是
0.6A,所以读数是
0.44A;由于螺旋测微器的半毫米刻度线已经露出,因此读数是
1.850×10-3m;米尺的读数是
40.50cm-
10.00cm=
30.50cm3由电阻定律得ρ===Ω·m≈
4.4×10-5Ω·m答案1见解析图
22.20V
0.44A30.50cm
1.850×10-3m
34.4×10-5Ω·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________mm2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133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
2.23V和38mA,由此,该同学算出接入电路部分的合金丝的阻值为
58.7Ω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
0.01mm×
41.0=
0.410mm2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,即电路中的
7、9之间出现了断路3由于电流表内阻约
0.3Ω,可将电流表改为内接;多次测量求平均值,可以让测量误差更小;或者用UI图像的斜率求出电阻答案1B
0.410
27、9 断路3电流表改为内接;测量多组电流和电压值,计算出电阻的平均值或测量多组电流和电压值,用图像法求电阻值。