测量金属丝电阻率 说课稿教案教学设计.docx
《测量金属丝电阻率 说课稿教案教学设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《测量金属丝电阻率 说课稿教案教学设计.docx(16页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
![测量金属丝电阻率 说课稿教案教学设计.docx](https://file1.bdocx.com/fileroot1/2023-1/3/ad585cd7-ba69-4c18-a08c-13c0ff758e5b/ad585cd7-ba69-4c18-a08c-13c0ff758e5b1.gif)
测量金属丝电阻率说课稿教案教学设计
知识点
测量金属丝电阻率
教学目标
1.掌握螺旋测微器及游标卡尺的原理及读数方法。
2.掌握电流表电压表和滑动变阻器的使用方法及读数方法。
3.学会用伏安法测量电阻的阻值,测定金属的电阻率。
教学重点
用伏安法测量电阻的阻值,测定金属的电阻率。
教学难点
用伏安法测量电阻的阻值,测定金属的电阻率。
一、导入
基础知识回顾
1、电阻:
加在导体两端的电压与通过导体的电流强度的比值.R=U/I,导体的电阻是由导体本身的性质决定的,与U、I无关.
2、电阻定律:
导体的电阻R与它的长度L成正比,与它的横截面积S成反比,R=ρL/S
3、电阻率:
电阻率ρ是反映材料导电性能的物理量,由材料决定,但受温度的影响.
二、知识讲解
(一)考点解读
一、测金属丝的电阻率
1.实验电路图与实物连接图
2.实验目的
(1)掌握螺旋测微器和游标卡尺的原理及读数方法。
(2)掌握电流表、电压表和滑动变阻器的使用方法及电流表和电压表的读数方法。
(3)会用伏安法测电阻,并能测定金属的电阻率。
3.实验原理
根据电阻定律公式知道只要测出金属丝的长度和它的直径d,计算出横截面积S,并用伏安法测出电阻Rx,即可计算出金属丝的电阻率。
4.实验器材
被测金属丝,直流电源(4V),电流表(00.6A),电压表(03V),滑动变阻器(50Ω),开关,导线若干,螺旋测微器,毫米刻度尺。
5.实验步骤
(1)直径测定:
用螺旋测微器(或游标卡尺)在被测金属丝上的三个不同位置各测一次直径,求出其平均值d,计算出金属丝的横截面积S=
。
(2)电路连接:
按如图所示的电路原理图连接好用伏安法测电阻的实验电路。
(3)长度测量:
用毫米刻度尺测量接入电路中的被测金属丝的有效长度,反复测量3次,求出其平均值l。
(4)U、I测量:
把滑动变阻器的滑片调节到使接入电路中的电阻值最大的位置,电路经检查确认无误后,闭合开关S,改变滑动变阻器滑片位置,读出几组相应的电流表和电压表示数I和U的值,填入表格中,断开开关S,求出电阻Rx的平均值。
(5)拆除实验线路,整理好实验器材。
6.数据处理
(1)在求Rx的平均值时可用两种方法:
①用Rx=
分别算出各次的数值,再取平均值。
②用UI图线的斜率求出。
(2)计算电阻率:
将记录的数据U、I、l、d的值代入电阻率计算式ρ=Rx
=
。
二、精密测量工具的使用
1.螺旋测微器
(1)构造:
如图所示,它的测砧A和固定刻度B固定在尺架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。
(2)原理:
测微螺杆F与固定刻度B之间的精密螺纹的螺距为0.5mm,即旋钮D每旋转一周,F前进或后退0.5mm,而可动刻度E上的刻度为50等份,每转动一小格,F前进或后退0.01mm,即螺旋测微器的精确度为0.01mm。
读数时估读到毫米的千分位上,因此,螺旋测微器又叫千分尺。
(3)读数:
测量时被测物体长度的整毫米数由固定刻度读出,小数部分由可动刻度读出。
测量值(mm)=固定刻度数(mm)(注意半毫米刻度线是否露出)+可动刻度数(估读一位)×0.01(mm)
如图所示,固定刻度示数为2.0mm,不足半毫米而从可动刻度上读的示数为15.0,最后的读数为:
2.0mm+15.0×0.01mm=2.150mm。
特别提醒
螺旋测微器需要估读,最后一位数字为估计数字,读数和记数时估计位为有效数字的最后一位。
2.游标卡尺
(1)构造:
主尺、游标尺(主尺和游标尺上各有一个内、外测量爪),游标尺上还有一个深度尺(如图所示)。
(2)用途:
测量厚度、长度、深度、内径、外径。
(3)原理:
利用主尺的最小分度与游标尺的最小分度的差值制成。
不管游标尺上有多少个小等分刻度,它的刻度部分的总长度比主尺上的同样多的小等分刻度少1mm。
常见的游标卡尺的游标尺上小等分刻度有10格的、20格的、50格的,其读数见下表:
(4)读数:
若用x表示从主尺上读出的整毫米数,K表示从游标尺上读出与主尺上某一刻线对齐的游标的格数,则记录结果表示为(x+K×精确度)mm。
需要注意的是,不管是哪种卡尺,K值均不需要向后估读一位。
(5)如图所示,有一游标卡尺,主尺的最小分度是1mm,游标上有20个小的等分刻度。
用它测量一工件的长度,图示的读数为104mm+0.05×0mm=104.00mm。
特别提醒
游标卡尺读数不需要估读,其测量结果的末位数字应为精确度的整数倍。
如20分度的结果末位数只能是5或0。
三、伏安法测电阻、电表连接方式的选择
1.电流表的内接法和外接法的比较
2.两种电路的选择
(1)阻值比较法
若Rx≪RV,宜采用电流表外接法;
若Rx≫RA,宜采用电流表内接法。
(2)临界值计算法
Rx<
时,用电流表外接法;
Rx>
时,用电流表内接法。
(3)实验试探法:
按如图所示接好电路,让电压表一个接线柱P先后与a、b处接触一下,如果电压表的示数有较大的变化,而电流表的示数变化不大,则可采用电流表外接法;如果电流表的示数有较大的变化,而电压表的示数变化不大,则可采用电流表内接法。
四、常用电表的读数原则
对于电压表和电流表的读数问题,首先要弄清电表量程,即指针指到最大刻度时电表允许通过的最大电压或电流,然后根据表盘总的刻度数确定精确度,按照指针的实际位置进行读数即可。
(1)03V的电压表和03A的电流表的读数方法相同,此量程下的精确度分别是0.1V和0.1A,看清楚指针的实际位置,读到小数点后面两位。
(2)对于015V量程的电压表,精确度是0.5V,在读数时只要求读到小数点后面一位,即读到0.1V。
(3)对于00.6A量程的电流表,精确度是0.02A,在读数时只要求读到小数点后面两位,这时要求“半格估读”,即读到最小刻度的一半0.01A。
五、误差分析
1.系统误差
(1)采用伏安法测量金属丝的电阻时,由于采用的电流表外接法,测量值小于真实值,使电阻率的测量值偏小。
(2)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。
2.偶然误差
(1)金属丝的横截面积是利用直径计算而得的,直径的测量是产生误差的主要之一。
(2)金属丝的长度测量、电流表和电压表的读数等均会带来偶然误差。
六、注意事项
1.螺旋测微器的使用
(1)测量前必须校对零点。
(2)测量时,当测微螺杆F将要接触被测物体时,要停止使用旋钮D,改用微调旋钮D′,当听到“咔、咔……”声后,停止转动,以避免P和被测物体间产生过大的压力。
(3)螺旋测微器应估读一位,即以mm作单位,应读到小数点后面第三位。
2.测定金属的电阻率
(1)测量被测金属导线的有效长度,亦即电压表两端点间的待测导线长度,测量时应将导线拉直,反复测量三次,求其平均值。
(2)本实验中被测金属导线的电阻值较小,因此实验电路一般采用电流表外接法。
(3)实验连线时,应先从电源的正极出发,依次将开关、电流表、待测金属丝、滑动变阻器连成干路,然后再把电压表并联在待测金属丝的两端。
(4)电流不宜太大(电流表用00.6A量程),通电时间不宜太长,以免金属丝温度升高,导致电阻率在实验过程中变大。
(5)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。
七、实验改进
在本实验中,由于电表内阻的影响,使金属丝电阻的测量值偏小,可以改进实验电路,消除由于电表内阻的影响而带来的实验误差。
1.等效替换法
如图所示电路,R为电阻箱,Rx为待测电阻,通过调节电阻箱R,使单刀双掷开关S分别接1和2时,电流表的示数相同,则有Rx=R,即可测出Rx。
2.附加电阻法
如图所示电路,R1为一阻值较大的定值电阻,Rx为待测电阻。
(1)断开开关S2,闭合开关S1,调节变阻器R,使电流表、电压表都有一个适当读数,记下两表读数I1、U1。
(2)保持变阻器R不变,再闭合S2,记下两表的读数I2、U2。
(3)待测电阻Rx=
-
。
考点1螺旋测微器的构造原理及读数
如图所示是常用的螺旋测微器,它的小砧A和固定刻度B固定在尺架上,测砧F、可动刻度E固定在可旋转的套筒上。
当套筒旋转时,F和E可前进和后退。
原理:
精密螺纹的螺距为0.5mm,即D每旋转一周,F前进或后退0.5mm.可动刻度E上的刻度为50等份,每一小格表示0.01mm.
读数:
(估读一位)
D
F
E
B
考点2游标卡尺的构造原理及读数
(1)构造:
游标卡尺是工业上常用的测量长度的仪器,它由尺身及能在尺身上滑动的游标尺组成,如图所示.游标上部有一紧固螺钉,可将游标固定在尺身上的任意位置.尺身和游标都有量爪,利用内测量爪可以测量槽的宽度和管的内径,利用外测量爪可以测量零件的厚度和管的外径.深度尺与游标尺连在一起,可以测槽和筒的深度.
(2)原理:
(根据游标尺不同有三种:
以10分度为例)
如图所示,主尺的最小分度是1mm,游标尺上有10个小的等分刻度它们的总长等于9mm,因此游标尺的每一分度与主尺的最小分度相差0.1mm.当左右测脚合在一起,游标的零刻度线与主尺的零刻度线重合时,只有游标的第10条刻度线与主尺的9mm刻度线重合,其余的刻度线都不重合.当游标尺的第一条刻度线和主尺的1mm刻度重合时,游标的零刻度线和主尺的零刻度线相差0.1mm,依此类推,游标的第几条刻度线与主尺的刻度线重合,就是零点几毫米.在测量大于1毫米的长度时,整的毫米数要从游标“0”线与尺身相对的刻度线读出.
(3)读数:
(不估读)
考点3测金属丝的电阻率
求R的平均值的方法:
(1)用
算出各次的测量值,再取平均值;
(2)用U—I图像的斜率求出.若采用图像法,在描点时,要尽量使各点之间的距离拉大一些,连线时要让各点均匀分布在直线的两侧,个别明显偏离较远的点可以不予考虑.
三、例题精析
例题1
【题干】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甲和图乙所示,长度为cm,直径为mm。
(2)按图丙连接电路后,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1280Ω。
(3)由此可知,圆柱体的电阻为Ω。
【答案】
(1)5.01 5.315
(2)①大 ②大(3)1280
【解析】
(1)长度为(50mm+1×0.1mm)=50.1mm=5.01cm;直径为(5.0mm+31.5×0.01mm)=5.315mm。
(2)本实验的实验原理为等效替代法,在实验操作过程中,为了保证安全,要求电路接通时电路中的电流尽可能小,即应使可调电阻的阻值最大。
【点睛】重点掌握游标卡尺和螺旋测微器的读数。
例题2
【题干】在“测定金属的电阻率”实验中,所用测量仪器均已校准,待测金属丝接入电路部分的长度约为50cm。
(1)用螺旋测微器测量金属丝的直径,其中某一次测量结果如图1所示,其读数应为mm(该值接近多次测量的平均值)。
(2)用伏安法测金属丝的电阻RX。
实验所用器材为:
电池组(电动势3V,内阻约1Ω)、电流表(内阻约0.1Ω)、电压表(内阻约3kΩ)、滑动变阻器R(020Ω,额定电流2A)、开关、导线若干。
某小组同学利用以上器材正确连接好电路,进行实验测量,记录数据如下:
次数
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
由以上实验数据可知,他们测量RX是采用图2中的图(选填“甲”或“乙”)。
(3)图3是测量RX的实验器材实物图,图中已连接了部分导线,滑动变阻器的滑片P置于变阻器的一端。
请根据
(2)所选的电路图,补充完成图3中实物间的连线,并使闭合开关的瞬间,电压表或电流表不至于被烧坏。
(4)这个小组的同学在坐标纸上建立UI坐标系,如图4所示,图中已标出了与测量数据对应的4个坐标点。
请在图4中标出第2、4、6次测量数据的坐标点,并描绘出UI图线。
由图线得到金属丝的阻值RX=Ω(保留两位有效数字)。
(5)根据以上数据可以估算出金属丝电阻率约为(填选项前的符号)。
A.1×10-2Ω·mB.1×10-3Ω·m
C.1×10-6Ω·mD.1×10-8Ω·m
(6)(多选)任何实验测量都存在误差。
本实验所用测量仪器均已校准,下列关于误差的说法中正确的选项是(有多个正确选项)。
A.用螺旋测微器测量金属丝直径时,由于读数引起的误差属于系统误差
B.由于电流表和电压表内阻引起的误差属于偶然误差
C.若将电流表和电压表的内阻计算在内,可以消除由测量仪表引起的系统误差
D.用UI图象处理数据求金属丝电阻可以减小偶然误差
【答案】
(1)0.397(0.3950.399均可)
(2)甲(3)如图5所示(4)如图6 4.5(4.34.7)
(5)C (6)CD
【解析】
(1)千分尺读数:
固定刻度值+旋转刻度格数×0.01mm=0+39.7×0.01mm=0.397mm。
(2)由测的U、I值得RX约5Ω,乙图提供的最小电压U=
=0.6V,故选用甲图电路。
(3)见答案图5所示。
(4)描点后可见,第6次测量误差很大,舍去,作过O点的直线将其余6个点拟合到直线上,如答案图6所示。
RX=
=4.5Ω。
(5)由R=
,ρ=
≈1.1×10-6Ω·m,故选C。
(6)由于观察角度及观察能力不同,对测微器读数产生偶然误差,选项A错误;电流表和电压表不可能成为理想电表,对测量带来的误差是不可避免的,属于系统误差,选项B错误;电压表内阻的分流,是产生系统误差的原因,如果将其电阻计算在电路内,如前面实验电路,R测=
,RX=
,即可消除系统误差。
【点睛】实物图连线的原则与技巧
(1)总的原则:
先串后并,接线到柱,注意量程和正负。
(2)对限流电路,只需用笔画线当做导线,从电源正极开始,把电源、开关、滑动变阻器、“伏安法”部分依次串联起来即可(注意电表的正负接线柱和量程,滑动变阻器应调到阻值最大处)。
(3)对分压电路,应该先把电源、开关和滑动变阻器的全部电阻丝三部分用导线连接起来,然后在滑动变阻器电阻丝两端之中任选一个接头,比较该接头和滑动头的电势高低,根据“伏安法”部分电表正负接线柱的情况,将“伏安法”部分接入该两点间。
(注意滑动变阻器应调到使“伏安法”部分所接两点间阻值最小处)
例题3
【题干】有一根细长而均匀的金属管线样品,长约为60cm,电阻大约为6Ω,横截面如图甲所示。
(1)用螺旋测微器测量金属管线的外径,示数如图乙所示,金属管线的外径为mm;
(2)现有如下器材:
A.电流表(量程0.6A,内阻约0.1Ω)
B.电流表(量程3A,内阻约0.03Ω)
C.电压表(量程3V,内阻约3kΩ)
D.滑动变阻器(1750Ω,0.3A)
E.滑动变阻器(15Ω,3A)
F.蓄电池(6V,内阻很小)
G.开关一个,带夹子的导线若干
要进一步精确测量金属管线样品的阻值,电流表应选,滑动变阻器应选。
(只填代号字母)
(3)请将如图所示的实际测量电路补充完整。
(4)已知金属管线样品材料的电阻率为ρ,通过多次测量得出金属管线的电阻为R,金属管线的外径为d,要想求得金属管线内形状不规则的中空部分的横截面积S,在前面实验的基础上,还需要测量的物理量是(所测物理量用字母表示并用文字说明)。
计算中空部分横截面积的表达式为S=。
【答案】
(1)1.125±0.001
(2)A E (3)见解析图(4)管线的长度L
-
【解析】
(1)螺旋测微器的读数为:
1mm+0.01×12.5mm=1.125mm。
(2)因样品阻值约为6Ω,电压表的量程为3V,故电流最大约为0.5A,电流表应选A。
为调节方便,滑动变阻器应选用总阻值与样品相差不大的E。
(3)因Rx≈6Ω,
≈
Ω,故测量电路应为外接法电路。
因滑动变阻器的总阻值大于样品阻值,且实验中不需从零调节,故控制电路为限流接法,如图所示。
(4)设金属管线长度为L,由导体电阻公式得R=ρ
。
可得S=
-
,所以需要测量金属管线的长度L。
【点睛】实验原理与器材使用的创新
(1)实验原理的创新
①教材中实验是测量金属丝的电阻率,实验也可采用教材实验的原理测定导线的长度、横截面积等。
②考查本实验的题目还可以将测金属丝的电阻率,改为测圆柱体金属、圆桶形薄片、电解液等的电阻率。
③测量电阻时还可应用等效替代法、半偏法、多用电表、电桥法、双电流表法、双电压表法等。
(2)实验器材的创新
①实验如考虑导线电阻Rx较小,可不直接测量Rx的阻值,而是测量Rx与定值电阻的串联阻值。
②实验中若没有螺旋测微器测电阻丝的直径,可将电阻丝紧密的缠绕在圆柱形铅笔上3050匝,测总长度,然后求出直径。
例题4
【题干】关于导体的电阻及电阻率的说法中,正确的是( )
A.导体对电流的阻碍作用叫做导体的电阻,因此,只有导体有电流通过时,才具有电阻
B.由R=
可知,导体的电阻跟导体两端的电压成正比,跟导体中的电流成反比
C.将一根导线一分为二,则半根导线的电阻和电阻率都是原来的二分之一
D.某些金属、合金和化合物的电阻率随温度降低会突然减小为零
【答案】D
【解析】导体的电阻率由材料本身性质决定,并随温度变化而变化,导体的电阻与长度、横截面积有关,与导体两端电压及导体中电流大小无关,A、B、C错;电阻率反映材料的导电性能,电阻率常与温度有关,存在超导现象,D对。
【点睛】知道决定电阻率的因素即可。