高二物理 研究水的电阻率课题报告重点中学老师学生辛勤劳动结晶.docx
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高二物理研究水的电阻率课题报告重点中学老师学生辛勤劳动结晶
课题开题报告
研究课题
研究水的电阻率
指导老师
总指导:
赵力红
负责人:
陈建旺
成员:
陆文辉闻浪舟王仕全周玉锋
课题组成员
高二（24）班共21位同学
研究起因
水是世界上最普通的物质之一，但它对于我们人类，对于所有的生物来说也是最重要的物质，可以说，没有水就没有生命。
随着社会经济的不断发展，水源也被大量污染，因此水的质量好坏成为人们关注的热点，而其判断标准是多方面的，其中水的电阻率也是水质好坏的一个重要指标，对水的电阻率进行研究具有一定的现实意义。
而测定水的电阻率本质是测电阻，在我们高二这一学期学习了必要的电学实验知识，这一课题正可以让学生学以致用。
课题的目的和意义
在现行的高中物理实验中，都给定了具体的实验方案，我们缺乏的自主思考和创新的思维空间，不利于我们能力的培养和提高。
而"研究水的电阻率"这一课题，老师完全放开让我们自己去探究。
没有可供参考的模式，从实验电路到具体实验器材的制作都需我们自己想办法解决，能让我们亲身经历研究的整个过程，并在实践中锻炼我们发现问题和解决问题的能力，培养其参与意识和创新精神。
研究方法
讨论、实验、查资料、走访
活动计划
第一阶段：
设计讨论测量方案、制作所需器材
第二阶段：
检验设计方案的可行性，并积累实验经验为水的电阻率的正式测定与研究打开基础
第三阶段：
分小组研究水的电阻率：
第一小组：
测江水、自来水、各种品牌纯净水的电阻率
第二小组：
研究电阻率与水温的关系
第三小组：
研究电阻率与水中食盐浓度的关系
第一部分前期准备
（一）、课题组建立（时间11月23号地点：
电教中心）
1、省物理特级教师赵力红作开题报告，讲了世界物理年和科学探究精神,介绍课题研究的总体设想和研究要求.
2、组织学生成立课题研究小组：
学生根据自愿和开展活动的方便性分成三个小组，每个小组确定负责人。
第一组负责人：
王腾飞刘金华
成员：
张启杭缪钢烽
楼钢锋夏朱子章婷妮
徐虹陈斌
第二组负责人：
郦彤徐圆
成员：
李梦菲蒋燕飞
余文婷吴章华包子凡任栎兵李锋陈超方一可
第三组负责人：
潘勐豪夏天
成员：
楼铄渊俞雄杰盛健丰李渝婷叶吕会蔡燕文陈婷婷
3、陈建旺教师介绍活动任务
（1）设计实验方案：
包括实验所需器材、实验装置，测量电路图。
需制作或购买什么。
方案设计第二天中午各小组分组进行，下午三个小组讨论，各组要详细说出自己所设计的装置，并说出为什么要这样设计，其它小组进行评价，最后选出一到两个方案。
我们课题的任务是研究各种液体的导电率,为了便于研究,决定首先对最常见的液体------水进行入手研究.根据确定的方案,各小组利用本周末分别去制作实验装置。
（2）查找有关水的性质的资料，水的电阻率的资料、电阻测量方法，在星期六日两天进行。
（二）、分组讨论实验方案（时间11月24号地点：
学校公园的三处石桌）
中午，学生分成三个小组在校园的三处石桌边进行了测量水的电阻率方案的设计，设计装水的容器。
（三）、各组介绍实验方案（时间11月24号地点：
电教中心）
下午，三个研究小组在电教中心介绍本组的设计方案。
每组代表利用多媒体进行介绍，其它小组成员进行提问。
经过讨论最终确定下的测量水的电阻的方案有：
伏安法、电桥法、与电压表串联法：
A
A
VV
V
考虑到水的电阻较大，应用电流表内接法
经过讨论最终确定下水容器的设计方案有：
水槽、针筒、U型管
徐圆在介绍方案
李瑜婷在介绍方案
三位指导教师在后面成了“学生”
自制大小不一的玻璃水槽
（四）、测定自来水的电阻率（时间11月30号地点：
校物理实验室）
实验目的：
（1）检验实验方案的可行性
（2）熟悉实验仪器的使用
（3）发现实验中可能出现的末知因素
实验报告：
（见附录）
实验结论：
1、水容器用水槽最好。
制作简单，取水倒水方便，容易改变水的横截面。
U型管内部横截面和水柱长度很难确定。
针筒安装电极麻烦。
2、伏安法、电桥法、与电压表串联法测电阻都可行。
因水的电阻较大，伏安法中电流表应用毫安档。
发现的问题：
1、电极面积的大小直接影响电阻的测量结果。
2、伏安法测水的电阻时，发现电路接通时，电流表读数较大，随后电流表的读数会变小，最后在一个稳定值。
3、通电时间长发现与正极相连的铜片上出现了气泡
对于上面的三个问题，我们请教了物理和化学教师，并查阅了相关资料。
对于第一个问题我们还专门设计了实验进行研究（见附录）。
第二部分分组研究
（时间：
12月2号-12月5号地点：
校物理实验室）
第一小组：
测江水、自来水、各种品牌纯净水的电阻率
第二小组：
研究电阻率与水温的关系
第三小组：
研究电阻率与水中食盐浓度的关系
一、材料准备：
各小组除了原不定期实验中提供的仪器及自制水槽外还准备了以下材料：
第一小组：
采集了自来水、富春江水、人洲牌矿泉水（杭州万洲矿泉水有限公司）秀曼饮用天然水（杭州千岛湖水资源开发有限公司）、娃哈哈纯净水。
第二小组：
以自来水的研究对象，准备了电热水器、温度计等器材
第三小组：
以娃哈哈纯净水为研究对象，准备了食盐、量筒、天平等器材。
二、分组实验报告
实验报告一：
测定不同浓度的食盐溶液的电阻率
组员：
王腾飞、刘金华、缪钢烽、张君杭、楼钢锋、陈斌、夏朱子、
V
A
章婷妮、徐虹
一、实验目的：
研究NaCl浓度对水的电阻率的影响。
二、实验原理
三、实验器材：
NaCl固体、天平、药匙、玻璃棒、米尺、电压表、多用电表、滑动变阻器、水槽、开关、电源、导线若干、娃哈哈纯净水。
五、实验步骤：
1、往水槽内注入2400ml的水，分别测出长L、宽D、高H。
2、把原理图连接实验电路。
3、调节滑变，记下一组I、U数据。
4、断开电路，调节天平，用天平量取一定量的NaCl固体，记录数据，放在水槽中搅拌。
5、闭合电路，测出几组I、U数据。
6、多次量取NaCl固体，测出I、U 数据。
六、实验记录，数据处理。
T=8.50C
V=2400ml
L=30cm
D=10.4cm
H=7.69cm
次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
I/mA
0.28
0.38
0.81
1.2
2.4
2.1
4.5
4.1
6.9
4.8
8.1
32
62
U/v
3
1
1.5
1
1.5
1
1.5
1
1.5
1
1.5
1
1.5
R/
103Ω
10.7
2.63
1.85
0.83
0.625
0.476
0.33
0.24
0.22
0.21
0.185
0.031
0.024
ρ/
285
70
49
22
16
12
8.797
6.39
5.86
5.598
4.9
0.826
0.639
mNaCl/g
0
1
1
2
2
5
5
10
10
20
20
50
50
WNaCl
/
0
4.17
×10-4
4.17
×10-4
8.3
×10-4
8.3
×10-4
2.1
×10-3
2.1
×10-3
4.2
×10-3
4.2
×10-3
8.3
×10-3
8.3
×10-3
2.1
×10-2
2.1
×10-2
以浓度为横坐标，电阻率为纵坐标
WNaCl/
/
ρ/
七、实验结论：
电阻率随着NaCl溶液浓度的减小而减小。
实验中其它发现：
1．用电表测量电流后指针反偏。
解释：
随着NaCl的加入，自由离子增多，在通电过程中，使Na+、Cl-大量分布在电极处，这样导致水本身一端带正电，一端带负电。
并且该正负极与外接电路的正负极相反，电流由正极向负极移动，形成与测量时相反的电路，因此电表会反偏。
2．测量过程中，电流表和电压表的示数出现不同幅度的减小，过一段时间后才达到稳定。
解释：
由于加入NaCl使溶液含有大量的Na+、Cl－，通电后Na+向负极板移动，Cl-向正极板移动。
在两极板间Na+、Cl－的数量不断增多，产生一定的电压，与原本的电压产生抵消，电压减小，而且Na+,Cl－的向两边移动，导致溶液中的自由移动的离子数减小。
所以电阻不断增大。
电流表的示数也不断减小。
当Na+、Cl－向两极板间移动达到稳定，示数就不再变化。
实验报告二：
研究水的电阻率与温度的关系
组员：
潘勐豪、夏天、楼铄渊、俞雄杰、盛健丰、李渝婷、蔡燕文、陈婷婷、叶吕会
【实验目的】探究温度对水的电阻率的影响。
【实验器材】电压表、灵敏电流表、水槽（装有热水、铜片）、滑动变阻器、学生电源、导线若干、开关、温度计、米尺
A
V
【实验原理】伏安法电路图：
【实验步骤及操作】1、将电压表和电流表进行机械调零。
2、连接如图所示电路，断开开关，将滑动变阻器滑动到阻值最大端。
3、用温度计测出水温，并记录。
4、闭合开关，读出并记录电压表和电流表的示数，断开开关。
5、待水降温一定值，再闭合开关，记录温度与电表读数。
6、重复上步，记录几组不同数据。
7、用米尺测出水的高度、宽度、长度。
【实验记录数据处理】水的电阻测量记录
学生饮用水（秀曼特）
长L=8.8cm宽D=5.2cm高H=5cm面积S=26cm2
温度（0C）
电压（V）
电流（mA）
Rx
电阻率
平均电阻率
65
5
2.2
2272.0
67.15
60
5
2.1
2381.0
70.35
55
5
2.0
2500.0
73.86
50
5
1.9
2631.6
77.75
45
5
1.8
2777.8
82.07
40
5
1.7
2941.2
86.90
ρ/
t/℃
水的电阻率受温度影响曲线
【误差分析】1、电压表、灵敏电流表、温度计读数不精确。
2、采用电流表内接法，R测>R真。
【数据记录】自来水
温度/0C
电压/v
电流/mA
电阻/
电阻率
50
5
5.6
892.9
26.38
45
5
5.2
961.5
28.41
40
5
4.4
1136.4
33.58
35
5
4.0
1250.0
36.93
30
5
3.8
1315.8
38.88
25
5
3.8
1388.9
41.01
实验报告三：
测定不同水质的电阻率
一、实验成员：
徐圆、郦彤、蒋燕飞、任栋兵、李锋、李梦菲、吴章华、陈超、余文婷、方一可
R3
R水
A
R1
R2
A
V
二、实验目的：
1、测定不同水质的电阻率。
2、了解水质对电阻率的影响。
三、实验原理：
方案A，伏安法。
由闭合电路欧姆定律可得u=IR推得R=
。
因此，改变可变电阻R的阻值，可测得多组u、I的值再由
=
R求得水的电阻率。
方案B，桥式电路。
由闭合电路欧姆定律可得u=IR推得I=
，故，当u=0时I=0。
所以，当电路中R3:
R2=R1:
R水，R1与R2为恒定电阻，只要调节变阻箱R3的阻值，使安培表中指针不发生偏转时，即a、b间无电压表，读出R3的阻值，由公式R1：
R2=R3：
R水的阻值，再由
=
R求得水的电阻率。
四、实验器材（方案B）
学生电源、变阻箱（0～9999.9
）、灵敏电流表（-300～300
A）、定值电阻（10
）导线若干、开关、一定规格的玻璃水容器（盛水容量：
长20cm宽5cm高4cm）。
五、实验数据（方案B）
取R1=R2=2000
，则当电流表示数为零时，R3的值即为R水。
水样
富春江水
自来水
人洲矿泉水
秀曼特饮用水
娃哈哈纯净水
R3阻值（
）
6500
8600
R水阻值（
）
6500
8600
15000
60000
10000000
ρ（
m）
65
86
150
600
10000
注：
后面三种水样是直接由欧姆表测出阻值的（电桥式较难测，伏安法电流太小）
第三部分制作测量液体电阻率的简易仪器（拓展研究）
（时间：
12月5号-12月21号地点：
校物理实验室）
老师在开题报告中提出的课题任务,我们经前一阶段的研究已经完成。
但在前面的研究中，有几位同学提出测量水的电阻率太麻烦，又是电阻箱，又是电流表，还要连接复杂的导线。
能否制作能直接读出电阻率的仪表呢？
我们想到测电阻率的实质就是测电阻，只要确定了水的长度和横截面，由电阻值可以算出电阻率。
所以制作简易的测量仪的设想一定可行。
因为临近期末，教师考虑到影响班级学习，这一部分研究由我们五人负责：
潘勐豪王腾飞徐圆夏天刘金华
一、设计电路及装置
开始刘金华提出，只要制作一个长为4cm、宽5cm、高8cm的水槽，再结合一只多用电表，就可以直接测出水的电阻率了。
因为：
→
只要把多用电表电阻档的倍率再乘0.1，并把单位改成
就行了。
刘金华的想法是对的，但我们五个人都感到若这样做一点挑战都没有。
所我们决心自己设计电路。
为此我们请教了相关的物理教师和物理实验室的陈开健教师。
后来我们采用了陈开健老师的建议，即利用欧姆表的表头和现成的刻度，而电路我们自行设计。
Er
×100
Rg
×1K
水
S1
S2
图2
R1
R2
R
Er
G
R
红表笔
黑表笔
Rg
Rx
图1
最开始我们根据欧姆表的原理（图1）
设计了图2的原理图，考虑到水的电阻较大，我们设计×100和×1K两档（不用×1和×10）。
因电表的中央刻度为15，所以×100档的中值电阻为1500Ω，×1K档的中值电阻为15KΩ。
开关S2为选择开关，开关S1为闭合后调零开关。
但这一设计显然没有考到表头的量程。
没有分流电阻，而且不同的档位应该有不同的分流电阻。
另外电池新旧的电动势不同，作为一个仪器要使电动势在一定范围内都能正常工作（即新电池和一定层度的旧电池都能正常工作）。
为此经5个人的讨论，我们设计了如下的电路：
电路基本设想：
1、供电系统：
1号电池两节，考虑到一定程度的旧电池也能正常工作，我们把工作电压定为2.4V。
并用一分压电路来实现。
新电池可将R1的滑片向左移，旧电阻可将滑变向右移。
2、测量电路100档，R4为这一档的分流电阻，而串上R2，使中值电阻为1500Ω。
1K档的分流电阻为R5，串上R3，使中值电阻为15KΩ
3、R1远小于测量电路的电阻固定电阻，这样测量电路中串入水这一大电阻时，总的并联电阻能保持基本不变，因此电压可以认为是稳定的。
二、计算及测试
1、拆表头（陈开键教师帮忙）
2、测量表头的内阻及量程：
我们用学过的半偏法测出了表头内阻：
Rg=680Ω
用灵敏的标准电流表测出了表头满偏电流：
Ig=130μA
3、计算：
100档：
E=2.4V，中值电阻为1500Ω，算出总电流为I=1600μA，因此R4应分流1470μA，计算出R4=60.136Ω。
表头和R4的变联电阻R并1=55.25Ω。
进一步计算出串上的R2=1500-R并1=1500-55.25
=1444.75Ω
1K档：
E=2.4V，中值电阻为15KΩ，算出总电流为I=160μA，因此R5应分流30μA，计算出R5=2946Ω。
表头和R5的变联电阻R并2=552.5Ω。
进一步计算出串上的R3=15000-R并2=14447.5Ω。
3、为了测量电路的改变对电压不产生太大的影响（保证2.4V）滑动变阻器的最大阻值R<为了方便调节用150Ω的定值电阻和一个50Ω可变电阻串联。
电路及数据如图。
4、测试：
我们将所有的电阻用电阻箱来替代，而水的电阻用不同阻值的电阻代替。
连接电路进行了对不同的电阻的的电阻进行测量，并与标准欧姆表进行校对。
实验表明，设计的电路基本与标准表接近。
可与标准表有相同的精确度。
说明实验原理正确。
三、购买电阻及组装
1、购买电阻及电位器开关（两位杭州学生到杭州电子市场购买）。
我们计算出的电阻是非标准生产生电阻，市场上相同阻值的电阻买不到。
因此我们采用定值可变电阻串联得到所需电阻：
R1：
50欧可变（后来买到的是100Ω可变）
R2=1444.75Ω用1300Ω定值+200Ω可变串
R3=14447.5Ω用13000Ω定值+1300Ω定值+200Ω可变串
R4=60Ω用100Ω可变
R5=2946Ω用2700Ω定值+130Ω定值+200Ω可变。
开关：
两个单刀单掷、一个双刀双掷开关（后买了三个双刀双掷开关）
电位器：
100Ω可调
2、修改表盘考虑重画刻度非常困难，我们利用原欧姆表的刻度。
最后组装前电路测试
3、定制仪器外壳、底座、水槽。
事先确定立板的大小、底板的大小及立板各处开孔的尺寸。
水槽：
水体尺寸为：
长4cm、宽5cm、高8cm
所以定制水槽内部尺寸为：
长4.2cm（考虑电极厚各1mm），宽5cm，高10cm（高出水面2cm，液体不易流出）
4、总装：
成品如图
四、校对及误差分析
1、为了检验测量仪测量精确程度，我们用一标准数字式的多用表（VC890D型）与测量仪进行校对，结果如下：
100档：
标准电表读数
改装表读数
R1（Ω）
1300
13×100
R2（Ω）
2600
26×100
R3（Ω）
5280
52×100
1K档：
标准电表读数
改装表读数
R1（Ω）
12830
13×1K
R2（Ω）
25700
26×1K
R3（Ω）
38500
38×1K
实验表明，两个档位在不同的读数下都有较高的准确度。
2、仪表误差分析：
系统误差来源于调零时工作电压为2.4V，而测水的电阻时，因并联电阻变大使工作电压变大，从而使测量结果偏小。
各个电阻在测量时存在一定的误差，也影响仪表的准确性。
四、利用自制的液体电阻率测量仪测量一些饮料的电阻率
橙汁
白酒
可口可乐
纯牛奶
电阻率（
）
40
110
40
20
液体电阻率测量仪成功制成，我们想到利用它来测量常见的一些饮料的电阻率，一方面是好奇，想知道它们的电阻率到底是多少，同时也想试试我们自己的“产品”，让它发挥作用。
我们从家里带来了橙汁、白酒、可口可乐、纯牛奶进行测量，结果如下：
研究水的电阻率结题报告
执笔人：
潘勐豪王腾飞
我们高二（24）班课题研究小组对水的电阻率经过近一个月的研究，完成了课题任务。
现将我们的研究工作、研究过程发现的问题、我们的研究成果及一些体会做一汇报。
一、经过课题研究，我们掌握了多种测量水的电阻的方法
A
VV
1、伏安法：
因水的电阻较大，我们采用电流表内接法。
为了能有较大的电压调节范围，滑动变阻器采用分压式。
电压表量程一般取3V即可，而电流表的量程一般用10毫安或1毫安。
2、电桥法：
R3
R水
A
R1
R2
R1、R2、R3都用电阻箱。
我们可以取R1=R2，这样只要调R3，当电流表的读数为零时，R水=R3。
当水的电阻较大时，可能电阻箱无法调到平衡，这时可让：
R1：
R2=1：
10，则R水=10R3
3、与电压表串联法：
事先测出RV，需知电源的电压E（学生电源提供的电压已知），若读数为U，则由：
V
得：
4、欧姆表直接测量法
以上四种方法中，伏安法是最常规也是最基本的方法，很好理解，但测量计算较麻烦。
电桥法的优点是可以不用计算，或简单计算，但要用到器材较多，电路较复杂。
这两种方法都能较准确测出电阻。
第三种方法经过实验我们发现不方便，且电源的电动势可能有一定的误差。
第四种方法最方便，但可能误差也较大。
二、我们在实验中发现了一些问题，并进行相应的研究与解释
1、电极与水的接触面存在接触电阻
我们第一次实验时，有的小组是用铜导线做电极，而有的小组是用铜片做电极的。
当时我们想铜导线做电极可能产生较大的测量误差，但又不清楚有多少影响，在老师的建议下我们对这一问题专门进行了研究，结果如下：
（水体长4cm、宽5cm、深8cm自来水）
导线电极
铜片为电极，插入的不同深度cm
1cm
2cm
3cm
4cm
5cm
6cm
7cm
全部
电阻KΩ
80
28
18
15
12
11
9
8.5
8
显然接触面越大，测得的电阻越小，这一过程水的电阻是不变的，减小的是接触电阻。
而导线做电极时，电阻的测量值为铜片全插入时电阻测量值的10倍！
这是我们始料未及的。
通过实验我们原来的疑问就完全清楚了，导线做电极是根本不行的。
为了尽量减小接触电阻，我们的实验中应采用的电极应与水的横截面相同。
2、在实验中我们发现了水的“电容现象”
测量水的电阻时，我们发现开关闭合时电流表的计数较大，而随通电时间的延长，电流表的读数变小，经过近1分钟后电流表达稳定状态。
这一现象在研究NaCl浓度与水的电阻率的关系实验中更加明显。
另外，我们实验中还发现，断开电源开关后，与水形成回路的电流表会发生反偏现象，这种反偏现象有时甚至持续几分钟。
开始我们以为这是一种偶然现象，但后来多次发现这一现象，且水中离子浓度越大，这一现象越明显。
为了解释这一现象，我们请教了化学老师和物理老师，并上网查找了相关资料。
其原因如下：
水通电时，溶液中离子在电场作用下，正离子向负极移动，负离子向正极移动，在溶液中出现带电区域，从而产生附加电场，减弱了原电场，使溶液中电流逐渐减小。
而断开电源形状后，聚集在两极的电荷放电（即电容放电），形成反向电流，因水的电阻较大，所以需较长的放电时间。
根据这一研究，我们的结论是，测量水的电阻时，开始的电流值较真实地反映的水的电阻。
所以测水的电阻时我们的读数要快。
3、在实验中我们发现电解水现象。
测量水的电阻时，因水的电阻很大，电流很小，有时甚至连毫安表也很难测出，为了增大电流，开始我们采用了较高的电压（10V左右），经过一段时间的测量，我们不经意的发现，与电源负极相连的铜片上竟产生了很多气泡。
我们竟把水电解了，负极产生了氢气（化学学到过）！
而正极没有产生氧气，是因为铜的活性比氧强，铜被电解了。
电解水必然会影响水中离子的浓度。
因此，根据这一研究，我们测量水的电阻时，电压不能太大（最好3V以下），通电时间不能太长。
三、关于水的电阻率的一些实验结论
1、水的电阻率与水的杂质浓度有关，一般杂质越多电阻率越小。
水的样品
电阻率（Ωm）
富春江水
65
自来水
86
人洲矿泉水
150
秀曼特饮用水
600
娃哈哈纯净水
10000
如下表：
矿泉水中因含矿物质较多，电阻率相对也较小。
而秀曼特饮用水产自千岛湖，且经过较多工艺制作，水比较纯净，电阻率较大。
而娃哈哈纯净
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