学年辽宁物理高二上选择性必修3 主题2 3 实验 导体电阻率的测量.docx

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学年辽宁物理高二上选择性必修3主题23实验导体电阻率的测量

3　实验：

导体电阻率的测量

[学习目标]　1.掌握电流表、电压表和滑动变阻器的使用方法.2.掌握螺旋测微器的使用方法和读数方法.3.学会利用伏安法测电阻，进一步测出金属丝的电阻率．

一、游标卡尺和螺旋测微器的读数

1．游标卡尺

（1）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.

（2）精度：

对应关系为10分度0．1mm,20分度0．05mm,50分度0．02mm.

（3）读数：

若用x表示由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，则记录结果表达为（x＋K×精度）mm.

2．螺旋测微器

（1）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．

（2）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）．

二、实验原理和方法

由R＝ρ

得ρ＝

，因此，只要测出金属丝的长度l、横截面积S和金属丝的电阻R，即可求出金属丝的电阻率ρ.

1．把金属丝接入电路中，用伏安法测金属丝的电阻R

.电路原理如图所示．

2．用毫米刻度尺测量金属丝的长度l，用螺旋测微器量得金属丝的直径，算出横截面积S.

3．将测量的数据代入公式ρ＝

求金属丝的电阻率．

三、实验器材

被测金属丝、螺旋测微器、毫米刻度尺、电池组、电流表、电压表、滑动变阻器、开关、导线若干．

四、实验步骤

1．直径测定

用螺旋测微器在被测金属导线上的三个不同位置各测一次直径，求出其平均值d，计算出导线的横截面积S＝

.

2．电路连接

按如图所示的原理电路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导线的有效长度，反复测量3次，求出其平均值l.

4．U、I测量

把滑动变阻器的滑动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，记入表格内，断开开关S.

5．拆去实验线路，整理好实验器材．

五、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Rx、l、d的值代入电阻率计算式ρ＝Rx

＝

.

六、误差分析

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主要来源之一．

2．采用伏安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．

3．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．

4．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．

七、注意事项

1．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．

2．实验连线时，应先从电源的正极出发，依次将电源、开关、电流表、待测金属导线、滑动变阻器连成主干线路，然后再把电压表并联在待测金属导线的两端．

3．测量被测金属导线的有效长度，是指测量待测导线接入电路的两个端点之间的长度，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．

4．测金属导线直径一定要选三个不同部位进行测量，求其平均值．

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．

6．在用伏安法测电阻时，通过待测导线的电流强度I不宜过大（电流表用0～0.6A量程），通电时间不宜过长，以免金属导线的温度明显升高，造成其电阻率在实验过程中逐渐增大．

7．求Rx的平均值时可用两种方法：

第一种是用Rx＝

算出各次的测量值，再取平均值；第二种是用图象（UI图线）来求出．若采用图象法，在描点时，要尽量使各点间的距离拉大一些，连线时要尽可能地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．

游标卡尺和螺旋测微器的读数方法

【例1】　某同学利用游标卡尺和螺旋测微器分别测量一圆柱体工件的直径和高度，测量结果如图（a）和（b）所示．该工件的直径为________cm，高度为________mm.

（a）

（b）

[解析]　游标卡尺读数为d＝12mm＋4×

mm＝12.20mm＝1.220cm

螺旋测微器的读数为h＝6.5mm＋36.1×0.01mm＝6.861mm.

[答案]　1.220　6.861

（1）游标卡尺不需要估读，读数结果10分度为××.×mm一位小数，20分度和50分度为××.××mm两位小数，换算单位时只需要移动小数点，最后一位数字即使是0也不能抹掉．

（2）螺旋测微器需要估读，读数结果为×.×××mm三位小数，需要特别注意半毫米刻度线是否露出．

实验原理及操作

【例2】　在做“测定金属的电阻率”的实验时，需要对金属丝的电阻进行测量，已知金属丝的电阻值Rx约为20Ω.一位同学用伏安法对这个电阻的阻值进行了比较精确的测量，这位同学想使被测电阻Rx两端的电压变化范围尽可能的大．他可选用的器材有：

电源E：

电动势为8V，内阻为1.0Ω；

电流表A：

量程0.6A，内阻约为0.50Ω；

电压表V：

量程10V，内阻约为10kΩ；

滑动变阻器R：

最大电阻值为5.0Ω；

开关一个，导线若干．

（1）根据上述条件，测量时电流表应采用________（选填“外接法”或“内接法”）．

（2）在方框内画出实验电路图．

（3）若在上述实验中，电流表的示数为I，电压表的示数为U，且电流表内阻RA和电压表内阻RV均为已知量，用测量物理量和电表内阻计算金属丝电阻的表达式Rx＝________.

[解析]　

（1）待测电阻约为20Ω，是电流表内阻的40倍，但电压表内阻是待测电阻的500倍，故采用外接法．

（2）因为要使Rx两端的电压变化范围尽可能的大，所以滑动变阻器要采用分压式，电路图如图所示．

（3）电压表分得的电流为IV＝

，所以Rx中的电流为

Ix＝I－IV＝I－

，则Rx＝

＝

＝

.

[答案]　

（1）外接法　

（2）见解析图　（3）

实验数据处理及误差分析

【例3】　某同学用伏安法测量导体的电阻，现有量程为3V、内阻约为3kΩ的电压表和量程为0.6A、内阻约为0.1Ω的电流表．采用分压电路接线，图甲是实物的部分连线图，待测电阻为图乙中的R1，其阻值约为5Ω.

甲　　　　　　　乙

（1）测R1阻值的最优连接方式为导线①连接________（选填a或b）、导线②连接________（选填c或d）．

（2）正确接线测得实验数据如表，用作图法求得R1的阻值为________Ω.

U/V

0.40

0.80

1.20

1.60

2.00

2.40

I/A

0.09

0.19

0.27

0.35

0.44

0.53

（3）已知图乙中R2与R1是材料相同、厚度相等、表面为正方形的两导体，R2的边长是R1的

，若测R2的阻值，则最优的连线应选________（填选项）．

A．①连接a，②连接c

B．①连接a，②连接d

C．①连接b，②连接c

D．①连接b，②连接d

[解析]　

（1）由于实验测量的是一个小电阻，故电流表应外接，因此导线①接a，由于采用分压电路，故导线②应接d.

（2）根据实验数据作出R1的UI曲线如图所示，图线的斜率即为电阻R1的大小，由图象可知，R1＝4.6Ω.

（3）设R1的边长为l，厚度为h，电阻率为ρ，根据电阻定律，得R1＝ρ

＝

，R2的阻值R2＝ρ

＝

＝R1，故测量R2的电路同测量R1的电路，故选项B正确．

[答案]　

（1）a　d　

（2）作图见解析，4.6（4.4～4.7均可）　（3）B

（1）作图象时，应使大多数的点在直线或平滑的曲线上，不在线上的点尽量均匀分布在它们的两侧，误差较大的点舍去不用．

（2）偶然误差与系统误差的关系

①偶然误差：

由于各种偶然因素对实验者、测量仪器、被测物理量的影响而产生的．通过多次测量求平均值（或采用图象法处理数据）可减小偶然误差．

②系统误差：

由于仪器本身不精密，实验方法粗略或实验原理不完善而产生的．通过校准仪器或改进实验方法和实验设计原理可减小误差．

1．（多选）在“测定金属的电阻率”的实验中，以下操作中错误的是（　　）

A．用米尺测量金属丝的全长，且测量三次，算出其平均值，然后再将金属丝接入电路中

B．用螺旋测微器在金属丝三个不同部位各测量一次直径，算出其平均值

C．用伏安法测电阻时，采用电流表内接法，多次测量后算出平均值

D．实验中应保持金属丝的温度不变

AC　[实验中应测量出金属丝接入电路中的有效长度，而不是全长；金属丝的电阻很小，与电压表内阻相差很大，使金属丝与电压表并联，电压表对它分流作用很小，应采用电流表外接法．故A、C操作错误．]

2．某同学测定一金属杆的长度和直径，示数如图甲、乙所示，则该金属杆的长度和直径分别为________cm和________mm.

甲

乙

[解析]　金属杆长度由刻度尺示数可得，由题图甲得L＝60.10cm.由题图乙知，此游标尺为50分度，游标尺上第10刻线与主尺上一刻线对齐，则金属杆直径为d＝4mm＋

×10mm＝4.20mm.

[答案]　60.10　4.20

3．

（1）如图甲、乙所示的两把游标卡尺，它们的游标尺分别为9mm长10等分、19mm长20等分，则读数依次为________mm、________mm.

甲　　　　　　　乙

（2）使用螺旋测微器测量金属丝的直径，示数如图所示，则金属丝的直径是________mm.

[解析]　

（1）题图甲读数：

整毫米是17，不足1毫米数是5×0.1mm＝0.5mm，最后结果是17mm＋0.5mm＝17.5mm.

题图乙读数：

整毫米是23，不足1毫米数是7×0.05mm＝0.35mm，最后结果是23mm＋0.35mm＝23.35mm.

（2）固定刻度示数为2.0mm，不足半毫米的从可动刻度上读，其示数为14.0，最后的读数：

2.0mm＋14.0×0.01mm＝2.140mm.

[答案]　

（1）17.5　23.35　

（2）2.140

4．在“测定金属丝的电阻率”的实验中，某同学进行了如下测量：

（1）用毫米刻度尺测量接入电路中的被测金属丝的有效长度．测量3次，求出其平均值l.其中一次测量结果如图甲所示，金属丝的另一端与刻度尺的零刻线对齐，图中读数为________cm.用螺旋测微器测量金属丝的直径，选不同的位置测量3次，求出其平均值D.其中一次测量结果如图乙所示，图中读数为________mm.

甲　　　　　　　乙

（2）采用如图所示的电路测量金属丝的电阻．电阻的测量值比真实值________（选填“偏大”或“偏小”）．最后由公式ρ＝________计算出金属丝的电阻率（用直接测量的物理量表示）．

（3）请你根据电路图在实物图中进行实物连线．（电流表选0.6A量程，电压表选3V量程）

[解析]　

（1）金属丝的长度为24.12～24.14cm

直径读数为0.515～0.518mm.

（2）采用安培表外接法，由于电压表的内阻不是无穷大，电压表有分流，从而电流表的测量值大于真实值，由R＝

可知，电阻的测量值小于真实值．

由R＝ρ

，R＝

，S＝

πd2，可得ρ＝

.

（3）实物连接如图所示．

[答案]　

（1）24.12～24.14　0.515～0.518　

（2）偏小　

　（3）见解析图

5．现在要测量一段电阻丝的电阻率ρ，电阻丝的阻值Rx≈0.5Ω，允许通过的最大电流为0.5A．现提供如下器材：

电流表A（量程0.6A，内阻约0.6Ω）

电压表V（量程3V，内阻约3kΩ）

待测的电阻丝Rx（阻值约为0.5Ω）

标准电阻R0（阻值5Ω）

滑动变阻器R1（5Ω，2A）

滑动变阻器R2（200Ω，1.5A）

直流电源E（电动势6V）

开关S、导线若干

（1）下面四位同学分别设计的“测量部分”的电路，你认为合理的是________．

A　　　　　　　　　B

C　　　　　　　　D

（2）实验中滑动变阻器应该选择________（选填“R1”或“R2”），并采用________接法．

（3）根据你在

（1）、

（2）中的选择，在图中完成实验电路的连接．

（4）实验中，如果两电表的读数分别为U和I，测得拉直后电阻丝的长度为L，直径为D，则待测电阻丝的电阻率ρ的计算式为ρ＝________.

（5）用螺旋测微器测量待测电阻丝的直径时读数如图所示，则该电阻丝的直径D＝________mm.

[解析]　

（1）电阻丝Rx两端的最大电压U＝IRx＝0.25V，比电压表量程小得多，需要串联一分压电阻，即串联一标准电阻R0，此时R0＋Rx<

，电流表采用外接法，选项C正确．

（2）滑动变阻器若选用R2或采用限流接法，调控范围小，应选择R1，并采用分压接法．

（3）根据测量电路图和滑动变阻器的分压式接法，实物连线如图所示．

（4）待测电阻Rx＝

－R0，由电阻定律得Rx＝

＝

，联立解得ρ＝

.

（5）螺旋测微器的读数为1mm＋0.01×20.5mm＝1.205mm.

[答案]　

（1）C　

（2）R1　分压　（3）见解析图

（4）

　（5）1.205（±0.002）