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2019-2020學(xué)年高中物理 第2章 電路 實(shí)驗(yàn)2 測(cè)定金屬的電阻率學(xué)案 粵教版選修3-1

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1、實(shí)驗(yàn)2 測(cè)定金屬的電阻率 [學(xué)習(xí)目標(biāo)] 1.進(jìn)一步掌握用伏安法測(cè)電阻的電路的設(shè)計(jì)思想. 2.掌握螺旋測(cè)微器的讀數(shù)方法. 3.掌握測(cè)定金屬電阻率的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)處理方法. 一、螺旋測(cè)微器的讀數(shù)原理 1.構(gòu)造及原理 如圖所示,它的測(cè)砧A和固定刻度B固定在尺架C上,可動(dòng)刻度E、旋鈕D、微調(diào)旋鈕D′是與測(cè)微螺桿F連在一起的,并通過(guò)精密螺紋套在B上,精密螺紋的螺距是0.5 mm,即旋鈕D每轉(zhuǎn)一周,測(cè)微螺桿F前進(jìn)或后退0.5mm,可動(dòng)刻度分成50等份,每一等份表示0.01 mm. 2.使用方法 當(dāng)A與F并攏時(shí),可動(dòng)刻度E的零點(diǎn)恰好跟固定刻度B的零點(diǎn)重合,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋鈕D,將測(cè)

2、微螺桿F旋出,把被測(cè)物體放入A、F之間的夾縫中,再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)旋鈕D,F(xiàn)快要接觸被測(cè)物時(shí),要停止使用旋鈕D,改用微調(diào)旋鈕D′,直到聽(tīng)到“咔、咔”聲. 3.讀數(shù)方法 L=固定刻度示數(shù)+可動(dòng)刻度示數(shù)(估讀一位)×分度值. 注意:(1)以毫米為單位時(shí),小數(shù)點(diǎn)后面要有三位有效數(shù)字,特別是最后一位估讀數(shù)字為零時(shí),不能省略. (2)在讀數(shù)時(shí)注意半毫米刻度線是否已露出. 二、游標(biāo)卡尺的原理及讀數(shù)方法 1.構(gòu)造:主尺、游標(biāo)尺(主尺和游標(biāo)尺上各有一個(gè)內(nèi)、外測(cè)量爪)、游標(biāo)卡尺上還有一個(gè)深度尺.(如圖所示) 2.用途:測(cè)量厚度、長(zhǎng)度、深度、內(nèi)徑、外徑. 3.原理:利用主尺的最小分度與游標(biāo)尺的最小分

3、度的差值制成. 不管游標(biāo)尺上有多少個(gè)小等分刻度,它的刻度部分的總長(zhǎng)度比主尺上的同樣多的小等分刻度少1 mm.常見(jiàn)的游標(biāo)尺上小等分刻度有10個(gè)、20個(gè)、50個(gè)的,其規(guī)格見(jiàn)下表: 刻度格數(shù)(分度) 刻度總長(zhǎng)度 1 mm與每小格的差值 精確度(可精確到) 10 9 mm 0.1 mm 0.1 mm 20 19 mm 0.05 mm 0.05 mm 50 49 mm 0.02 mm 0.02 mm 4.讀數(shù):若用x表示從主尺上讀出的整毫米數(shù),K表示從游標(biāo)尺上讀出與主尺上某一刻度線對(duì)齊的游標(biāo)的格數(shù),則記錄結(jié)果表示為(x+K×精確度)mm. 三、測(cè)定金屬的電阻率 1

4、.實(shí)驗(yàn)原理 (1)把金屬絲接入電路中,用伏安法測(cè)金屬絲的電阻R(R=).電路原理圖如圖所示. (2)用毫米刻度尺測(cè)出金屬絲的長(zhǎng)度l,用螺旋測(cè)微器測(cè)出金屬絲的直徑d,算出橫截面積S. (3)由電阻定律R=ρ,得ρ===,求出電阻率. 2.實(shí)驗(yàn)器材 螺旋測(cè)微器、毫米刻度尺、電壓表、電流表、定值電阻、開(kāi)關(guān)及導(dǎo)線、被測(cè)金屬導(dǎo)線、電池、滑動(dòng)變阻器. 3.實(shí)驗(yàn)步驟 (1)測(cè)直徑:用螺旋測(cè)微器在被測(cè)金屬導(dǎo)線上三個(gè)不同位置各測(cè)一次直徑,并記錄. (2)連電路:按如圖所示的電路圖連接實(shí)驗(yàn)電路. (3)量長(zhǎng)度:用毫米刻度尺測(cè)量接入電路中的被測(cè)金屬導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度,重復(fù)測(cè)量3次,并記錄. (4

5、)求電阻:把滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭調(diào)節(jié)到使接入電路中的電阻值最大的位置,電路經(jīng)檢查確認(rèn)無(wú)誤后,閉合開(kāi)關(guān)S.改變滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)觸頭的位置,讀出幾組相應(yīng)的電流表、電壓表的示數(shù)I和U的值,記入表格內(nèi),斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S. (5)拆除實(shí)驗(yàn)電路,整理好實(shí)驗(yàn)器材. 4.?dāng)?shù)據(jù)處理 電阻R的數(shù)值可用以下兩種方法確定: (1)計(jì)算法:利用每次測(cè)量的U、I值分別計(jì)算出電阻,再求出電阻的平均值作為測(cè)量結(jié)果. (2)圖象法:可建立I-U坐標(biāo)系,將測(cè)量的U、I值描點(diǎn)作出圖象,利用圖象的斜率來(lái)求出電阻值R. 5.實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) (1)因一般金屬絲電阻較小,為了減少實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差,必須選擇電流表外接法; (2)本實(shí)驗(yàn)若

6、用限流式接法,在接通電源之前應(yīng)將滑動(dòng)變阻器調(diào)到阻值最大狀態(tài). (3)測(cè)量l時(shí)應(yīng)測(cè)接入電路的金屬絲的有效長(zhǎng)度(即兩接線柱之間的長(zhǎng)度);在金屬絲的3個(gè)不同位置上用螺旋測(cè)微器測(cè)量直徑d. (4)電流不宜過(guò)大(電流表用0~0.6 A量程),通電時(shí)間不宜太長(zhǎng),以免電阻率因溫度升高而變化. 【例1】 現(xiàn)有一合金制成的圓柱體.為測(cè)量該合金的電阻率,現(xiàn)用伏安法測(cè)量圓柱體兩端之間的電阻,用螺旋測(cè)微器測(cè)量該圓柱體的直徑,用游標(biāo)卡尺測(cè)量該圓柱體的長(zhǎng)度.螺旋測(cè)微器和游標(biāo)卡尺的示數(shù)如圖甲和乙所示. 甲          乙 (1)由圖讀得圓柱體的直徑為_(kāi)_______mm,長(zhǎng)度為_(kāi)_______cm.

7、 (2)若流經(jīng)圓柱體的電流為I,圓柱體兩端之間的電壓為U,圓柱體的直徑和長(zhǎng)度分別用D、L表示,則用D、L、I、U表示的電阻率的關(guān)系式為ρ=________. [解析] (1)圓柱體的直徑為1.5 mm+34.5×0.01 mm=1.845 mm;長(zhǎng)度為42 mm+8×0.05 mm=42.40 mm=4.240 cm. (2)由歐姆定律R=和電阻定律R= 聯(lián)立得ρ===. [答案] (1)1.845(1.842~1.846均可) 4.240 (2) 【例2】 在“測(cè)定金屬的電阻率”實(shí)驗(yàn)中,所用測(cè)量?jī)x器均已校準(zhǔn).待測(cè)金屬絲接入電路部分的長(zhǎng)度約為50 cm. (1)用螺旋測(cè)微器

8、測(cè)量金屬絲的直徑,其中某一次測(cè)量結(jié)果如圖所示,其讀數(shù)應(yīng)為_(kāi)_______mm(該值接近多次測(cè)量的平均值). (2)用伏安法測(cè)金屬絲的電阻Rx.實(shí)驗(yàn)所用器材為電池組(電動(dòng)勢(shì)3 V,內(nèi)阻約1 Ω)、電流表(內(nèi)阻約0.1 Ω)、電壓表(內(nèi)阻約3 kΩ)、滑動(dòng)變阻器R(0~20 Ω,額定電流2 A)、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線若干. 某小組同學(xué)利用以上器材正確連接好電路,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量,記錄數(shù)據(jù)如下: 次數(shù) 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.

9、340 0.460 0.520 由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,他們測(cè)量Rx是采用圖中的______圖(選填“甲”或“乙”). (3)如圖是測(cè)量Rx的實(shí)驗(yàn)器材實(shí)物圖,圖中已連接了部分導(dǎo)線,滑動(dòng)變阻器的滑片P置于變阻器的一端.請(qǐng)根據(jù)(2)所選的電路圖,補(bǔ)充完成圖中實(shí)物間的連線,并使閉合開(kāi)關(guān)的瞬間,電壓表或電流表不至于被燒壞. (4)這個(gè)小組的同學(xué)在坐標(biāo)紙上建立U、I坐標(biāo)系,如圖所示,圖中已標(biāo)出了與測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的4個(gè)坐標(biāo)點(diǎn).請(qǐng)?jiān)趫D中標(biāo)出第2、4、6次測(cè)量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)點(diǎn),并描繪出U-I圖線.由圖線得到金屬絲的阻值Rx=________Ω(保留兩位有效數(shù)字). (5)根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以估算出金

10、屬絲電阻率約為_(kāi)_______(填選項(xiàng)前的符號(hào)). A.1×10-2Ω·m B.1×10-3Ω·m C.1×10-6Ω·m D.1×10-8Ω·m [解析] (1)螺旋測(cè)微器的讀數(shù)為0+39.8×0.01 mm=0.398 mm. (2)由實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)可知Rx的阻值大約為5 Ω.由題知Rx RV,故電流表?外接.若滑動(dòng)變阻器為限流式接法,則Rx兩端的電壓最小值Umin=E≈0.6 V,而從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知Rx兩端電壓為0.10 V,因此滑動(dòng)變阻器應(yīng)采用分壓式接法. (3)如圖甲所示 (4)選盡可能多的點(diǎn)連成一條直線,不在直線上的點(diǎn)均勻分布在直線兩側(cè),如圖乙所示. 圖線的斜率

11、反映了金屬絲的電阻,因此金屬絲的電阻值Rx≈4.4 Ω. (5)根據(jù)R=ρ得金屬絲的電阻率ρ===Ω·m≈1.09×10-6Ω·m,故選項(xiàng)C正確. [答案] (1)0.398(0.395~0.399均正確) (2)甲 (3)見(jiàn)解析圖甲 (4)見(jiàn)解析圖乙 4.4(4.3~4.7均正確) (5)C (1)實(shí)物連接時(shí),注意導(dǎo)線不能相交叉,并且要注意閉合開(kāi)關(guān)時(shí),分壓電路的輸出端電壓要為零. (2)對(duì)螺旋測(cè)微器進(jìn)行讀數(shù)時(shí)要注意:①以毫米為單位時(shí),小數(shù)點(diǎn)后面要有三位有效數(shù)字,特別是最后一位估讀數(shù)字為零時(shí),不能省略.②在讀數(shù)時(shí)注意半毫米刻度線是否已露出. 1.在“測(cè)定金屬的電阻率”的實(shí)驗(yàn)

12、中,由ρ=可知,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性影響最大的是(  ) A.金屬絲直徑d的測(cè)量 B.電壓U的測(cè)量 C.電流I的測(cè)量 D.金屬絲長(zhǎng)度l的測(cè)量 A [四個(gè)選項(xiàng)中的四個(gè)物理量對(duì)金屬絲的電阻率均有影響,但影響最大的是直徑d,因?yàn)樵谟?jì)算式中取直徑的平方.] 2.在“測(cè)定金屬絲的電阻率”實(shí)驗(yàn)中,以下操作中錯(cuò)誤的是(  ) A.用米尺測(cè)量金屬絲的全長(zhǎng)三次,算出其平均值 B.用螺旋測(cè)微器在金屬絲三個(gè)不同部位各測(cè)量一次直徑,算出其平均值 C.用伏安法測(cè)電阻時(shí)采用電流表外接法,多次測(cè)量后算出平均值 D.實(shí)驗(yàn)中保持金屬絲的溫度不變 A [應(yīng)測(cè)量出金屬絲連入電路的有效長(zhǎng)度三次,求平均值,而不是全長(zhǎng),

13、故A錯(cuò)誤;為了減小實(shí)驗(yàn)誤差,應(yīng)用螺旋測(cè)微器在金屬絲三個(gè)不同部位各測(cè)量一次直徑,算出其平均值,B正確;金屬絲電阻很小,與電壓表內(nèi)阻相差很大,使電壓表和金屬絲并聯(lián),電壓表的分流作用很小,應(yīng)采用電流表外接法,故C正確;金屬絲的電阻率隨溫度的改變而改變,為保持電阻率不變,應(yīng)保持溫度不變,故D正確;故選A.] 3.在測(cè)定阻值較小的金屬的電阻率的實(shí)驗(yàn)中,為了減小實(shí)驗(yàn)誤差,并要求在實(shí)驗(yàn)中獲得較大的電壓調(diào)節(jié)范圍,在測(cè)量其電阻時(shí)應(yīng)選擇的電路是(  ) D [金屬阻值較小,在用伏安法測(cè)電阻時(shí)應(yīng)該用電流表外接法,題干中要求實(shí)驗(yàn)中獲得較大的電壓調(diào)節(jié)范圍,故滑動(dòng)變阻器要采用分壓式接法,D正確.] 4.如圖

14、是一個(gè)瓶蓋形的有底的中空?qǐng)A柱形工件,要求用游標(biāo)卡尺測(cè)量其體積.工件的內(nèi)徑、外徑、高和孔深分別用d、D、H、h表示,它們應(yīng)依次用游標(biāo)卡尺的________、________、________、________部分來(lái)測(cè)量. [解析] 工件的內(nèi)徑、外徑、高和孔深分別用d、D、H、h表示,它們應(yīng)依次用游標(biāo)卡尺的:內(nèi)測(cè)腳、外測(cè)腳、外測(cè)腳和深度測(cè)腳進(jìn)行測(cè)量. [答案] 內(nèi)測(cè)腳 外測(cè)腳 外測(cè)腳 深度測(cè)腳 5.在探究“決定導(dǎo)線電阻因素”的實(shí)驗(yàn)中.需要進(jìn)行以下測(cè)量: (1)用螺旋測(cè)微器測(cè)得導(dǎo)線的直徑如圖甲所示,其讀數(shù)是0.701 mm.請(qǐng)?jiān)趫D中相應(yīng)刻度處的方框內(nèi)填入正確數(shù)字. 甲 (2)欲用

15、伏安法測(cè)定一段電阻絲的電阻,其阻值約為12 Ω,要求測(cè)量結(jié)果盡量準(zhǔn)確,并且電壓、電流測(cè)量范圍盡可能大一些.下列器材中:電流表應(yīng)選用(填器材的標(biāo)號(hào),下同)________,電壓表應(yīng)選用________,滑動(dòng)變阻器應(yīng)選用________.并在如圖乙的虛線框內(nèi)畫(huà)出你設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路圖. A.電池組E(6 V,內(nèi)阻很小) B.電流表A1(0~3 A,內(nèi)阻約0.01 Ω) C.電流表A2(0~0.6 A,內(nèi)阻約0.1 Ω) D.電壓表V1(0~3 V,內(nèi)阻約3 kΩ) E.電壓表V2(0~6 V,內(nèi)阻約6 kΩ) F.滑動(dòng)變阻器R1(0~5 Ω,2 A) G.滑動(dòng)變阻器R2(0~1 kΩ,1

16、 A) H.電鍵、導(dǎo)線 乙 [解析] (1)螺旋測(cè)微器的讀數(shù)為0.701 mm,故可分解為0.5 mm+0.201 mm,即0.5 mm+20.1×0.01 mm,三個(gè)格子里的示數(shù)分別為25,20,15. (2)電源電動(dòng)勢(shì)是6 V,電壓表選V2(0~6 V,內(nèi)阻6 kΩ),電路最大電流I===0.5 A,則電流表可選A2(0~0.6 A,內(nèi)阻0.1 Ω),電壓從零開(kāi)始,滑動(dòng)變阻器應(yīng)采用分壓接法,由于==120<==500,則電流表采用外接法,滑動(dòng)變阻器的范圍應(yīng)與電阻值差不多,方便調(diào)節(jié),所以滑動(dòng)變阻器選R1,實(shí)驗(yàn)電路圖如圖所示. [答案] (1)25 20 15 (2)A2 V

17、2 R1 見(jiàn)解析圖 6.(1)某同學(xué)為了測(cè)量某阻值約為5 Ω的金屬棒的電阻率,進(jìn)行了如下操作:分別使用10分度游標(biāo)卡尺和螺旋測(cè)微器測(cè)量金屬棒的長(zhǎng)度L和直徑d,某次測(cè)量的示數(shù)如圖甲和乙所示,長(zhǎng)度L=__________ mm,直徑d=________ mm. 甲           乙 (2)現(xiàn)備有下列器材:待測(cè)金屬棒:Rx(阻值約5 Ω);電壓表:V1(量程3 V,內(nèi)阻約3 kΩ);V2(量程15 V,內(nèi)阻約9 kΩ);電流表:A1(量程0.6 A,內(nèi)阻約0.2 Ω);A2(量程3 A,內(nèi)阻約0.05 Ω);電源:E1(電動(dòng)勢(shì)3 V,內(nèi)阻不計(jì));滑動(dòng)變阻器:R1(最大阻值約20 Ω)

18、;R2(最大阻值約1 000 Ω);開(kāi)關(guān)S;導(dǎo)線若干. 丙           丁 若滑動(dòng)變阻器采用限流按法,為使測(cè)量盡量精確,電壓表應(yīng)選________,電流表應(yīng)選________,滑動(dòng)變阻器應(yīng)選________(均選填器材代號(hào)).正確選擇儀器后請(qǐng)?jiān)趫D丙中用筆畫(huà)線代替導(dǎo)線,完成實(shí)物電路的連接.用伏安法測(cè)得該電阻的電壓和電流,并作出其U-I圖象如圖丁所示,若圖象的斜率為k,則該金屬棒的電阻率ρ=__________.(用題目中所給各個(gè)量的對(duì)應(yīng)字母進(jìn)行表述) [解析] (1)游標(biāo)卡尺主尺示數(shù)與游標(biāo)尺示數(shù)之和是游標(biāo)卡尺的示數(shù),故長(zhǎng)度L為22 mm+5×0.1 mm=22.5 mm;螺旋測(cè)

19、微器固定刻度示數(shù)與可動(dòng)刻度示數(shù)之和是螺旋測(cè)微器示數(shù),故直徑d為6.5 mm+21.3×0.01 mm=6.713 mm. (2)電源電動(dòng)勢(shì)為3 V,故電壓表用V1;電流表用A1;由于被測(cè)電阻約為5 Ω,故滑動(dòng)變阻器用R1;實(shí)物連接圖見(jiàn)答案圖. U-I圖象的斜率的物理意義為被測(cè)電阻的阻值,即k=R,結(jié)合電阻定律可得金屬棒的電阻率表達(dá)式為:ρ=. [答案] (1)22.5 6.713(6.712~6.718均正確) (2)V1 A1 R1 實(shí)物圖如圖所示  7.利用如圖所示的電路測(cè)量某種電阻絲材料的電阻率,所用電阻絲的電阻約為20 Ω.帶有刻度尺的木板上有a和b兩個(gè)接線柱,把電阻絲拉

20、直后固定在接線柱a和b上.在電阻絲上夾上一個(gè)帶有接線柱c的小金屬夾,沿電阻絲移動(dòng)金屬夾,可改變其與電阻絲接觸點(diǎn)P的位置,從而改變接入電路中電阻絲的長(zhǎng)度.可供選擇的器材還有: 電池組E(電動(dòng)勢(shì)為3.0 V); 電流表A1(量程0~100 mA,內(nèi)阻約5 Ω); 電流表A2(量程0~0.6 A,內(nèi)阻約0.2 Ω); 電阻箱R(0~999.9 Ω); 開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線若干. 實(shí)驗(yàn)操作步驟如下: A.用螺旋測(cè)微器在電阻絲上三個(gè)不同的位置分別測(cè)量電阻絲的直徑; B.將選用的實(shí)驗(yàn)器材,按照?qǐng)D連接實(shí)驗(yàn)電路; C.調(diào)節(jié)電阻箱使其接入電路中的電阻值較大; D.將金屬夾夾在電阻絲上某位置,閉合開(kāi)

21、關(guān),調(diào)整電阻箱的阻值,使電流表滿偏,然后斷開(kāi)開(kāi)關(guān).記錄電阻箱的電阻值R和接入電路的電阻絲長(zhǎng)度L; E.改變金屬夾與電阻絲接觸點(diǎn)的位置,閉合開(kāi)關(guān),調(diào)整電阻箱的阻值,使電流表再次滿偏.重復(fù)多次,記錄每一次電阻箱的電阻值R和接入電路的電阻絲長(zhǎng)度L; F.?dāng)嚅_(kāi)開(kāi)關(guān),整理好器材. (1)某次測(cè)量電阻絲直徑d時(shí),螺旋測(cè)微器示數(shù)如圖所示,則d=________mm; (2)實(shí)驗(yàn)中電流表應(yīng)選擇________(填“A1”或“A2”); (3)用記錄的多組電阻箱的阻值R和對(duì)應(yīng)的接入電路中電阻絲長(zhǎng)度L的數(shù)據(jù),繪出了如圖所示的R-L關(guān)系圖線,圖線在R軸的截距為R0,在L軸的截距為L(zhǎng)0,再結(jié)合測(cè)出的電阻

22、絲直徑d,寫(xiě)出電阻絲的電阻率表達(dá)式ρ=________(用給定的物理量符號(hào)和已知常數(shù)表示). (4)本實(shí)驗(yàn)中,電流表的內(nèi)阻對(duì)電阻率的測(cè)量結(jié)果______影響(填“有”或“無(wú)”). [解析] (1)螺旋測(cè)微器的讀數(shù)為: d=0.5 mm+23.0×0.01 mm=0.730 mm. (2)根據(jù)歐姆定律可知,電路中的最大電流為: Imax==A=0.15 A=150 mA,所以電流表應(yīng)選A1. (3)根據(jù)歐姆定律,應(yīng)有:Ig=可得:R=-Rx 根據(jù)電阻定律應(yīng)有:Rx= 聯(lián)立以上兩式可得:R=-L+ 根據(jù)函數(shù)斜率的概念應(yīng)有:= 解得:ρ=. (4)本題中若考慮電流表內(nèi)阻RA,則有:R=-L+-RA,對(duì)圖象的斜率沒(méi)有影響,即電流表內(nèi)阻對(duì)電阻率的測(cè)量結(jié)果無(wú)影響. [答案] (1)0.730 (2)A1 (3) (4)無(wú) - 11 -

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