第25講 實(shí)驗(yàn)探究決定導(dǎo)線電阻的因素

1、2016屆高考物理教學(xué)案 第25講 實(shí)驗(yàn) ：探究決定導(dǎo)線電阻的因素一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握電流表、電壓表和滑動(dòng)變阻器的使用方法。2掌握螺旋測(cè)微器的使用方法和讀數(shù)方法。3學(xué)會(huì)利用伏安法測(cè)電阻，進(jìn)一步測(cè)出金屬絲的電阻率。二、實(shí)驗(yàn)原理由R得，因此，只要測(cè)出金屬絲的長(zhǎng)度l、橫截面積S和金屬絲的電阻R，即可求出金屬絲的電阻率。1把金屬絲接入電路中，用伏安法測(cè)金屬絲的電阻R(R)。電路原理如圖所示。2用毫米刻度尺測(cè)量金屬絲的長(zhǎng)度l，用螺旋測(cè)微器量得金屬絲的直徑，算出橫截面積S。3將測(cè)量的數(shù)據(jù)代入公式求金屬絲的電阻率。三、實(shí)驗(yàn)器材被測(cè)金屬絲、螺旋測(cè)微器、毫米刻度尺、電池組、電流表、電壓表、滑動(dòng)變阻器、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線若

2、干。四、螺旋測(cè)微器、游標(biāo)卡尺的使用1螺旋測(cè)微器的構(gòu)造原理及讀數(shù)(1)螺旋測(cè)微器的構(gòu)造如圖所示是常用的螺旋測(cè)微器。它的測(cè)砧A和固定刻度B固定在尺架C上。旋鈕D、微調(diào)旋鈕D和可動(dòng)刻度E、測(cè)微螺桿F連在一起，通過(guò)精密螺紋套在B上。(2)螺旋測(cè)微器的原理測(cè)微螺桿F與固定刻度B之間的精密螺紋的螺距為0.5 mm，即旋鈕D每旋轉(zhuǎn)一周，F(xiàn)前進(jìn)或后退0.5mm，而可動(dòng)刻度E上的刻度為50等份，每轉(zhuǎn)動(dòng)一小格，F(xiàn)前進(jìn)或后退0.01 mm，即螺旋測(cè)微器的精確度為0.01 mm。讀數(shù)時(shí)估讀到毫米的千分位上，因此，螺旋測(cè)微器又叫千分尺。(3)讀數(shù)：測(cè)量時(shí)被測(cè)物體長(zhǎng)度的整毫米數(shù)由固定刻度讀出，小數(shù)部分由可動(dòng)刻度讀出。測(cè)量

3、值(mm)固定刻度數(shù)(mm)(注意半毫米刻度線是否露出)可動(dòng)刻度數(shù)(估讀一位)0.01(mm)如圖所示，固定刻度示數(shù)為2.0 mm，不足半毫米而從可動(dòng)刻度上讀的示數(shù)為15.0，最后的讀數(shù)為：2.0 mm15.00.01 mm2.150 mm。2游標(biāo)卡尺 (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)尺上還有一個(gè)深度尺，尺身上還有一個(gè)緊固螺釘。(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)卡尺的游標(biāo)尺上小等分刻度有1

4、0個(gè)的、20個(gè)的、50個(gè)的，見(jiàn)下表：刻度格數(shù)(分度)刻度總長(zhǎng)度每小格與1 mm的差值精確度(可準(zhǔn)確到)109 mm0.1 mm0.1 mm2019 mm0.05 mm0.05 mm5049 mm0.02 mm0.02 mm(4)讀數(shù)：若用x表示由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線對(duì)齊的游標(biāo)的格數(shù)，則記錄結(jié)果表達(dá)為(xK精確度) mm。五、伏安法測(cè)電阻1電流表的內(nèi)接法和外接法的比較內(nèi)接法外接法電路圖誤差原因電流表分壓U測(cè)UxUA電壓表分流I測(cè)IxIV電阻測(cè)量值R測(cè)RxRARx測(cè)量值大于真實(shí)值R測(cè)Rx測(cè)量值小于真實(shí)值適用條件RARxRVRx適用于測(cè)量大阻值電阻小阻值電阻2兩

5、種電路的選擇(1)阻值比較法：先將待測(cè)電阻的估計(jì)值與電壓表、電流表內(nèi)阻進(jìn)行比較，若Rx較小，宜采用電流表外接法；若Rx較大，宜采用電流表內(nèi)接法。簡(jiǎn)單概括為“大內(nèi)偏大，小外偏小”。(2)臨界值計(jì)算法：Rx時(shí)，用電流表內(nèi)接法。(3)實(shí)驗(yàn)試探法：按圖所示接好電路，讓電壓表一根接線柱P先后與a、b處接觸一下，如果電壓表的示數(shù)有較大的變化，而電流表的示數(shù)變化不大，則可采用電流表外接法；如果電流表的示數(shù)有較大的變化，而電壓表的示數(shù)變化不大，則可采用電流表內(nèi)接法。六、實(shí)驗(yàn)步驟1直徑測(cè)定用螺旋測(cè)微器在被測(cè)金屬導(dǎo)線上的三個(gè)不同位置各測(cè)一次直徑，求出其平均值d，計(jì)算出導(dǎo)線的橫截面積S。2電路連接按如圖所示的原理電

6、路圖連接好用伏安法測(cè)電阻的實(shí)驗(yàn)電路。3長(zhǎng)度測(cè)量用毫米刻度尺測(cè)量接入電路中的被測(cè)金屬導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度，反復(fù)測(cè)量3次，求出其平均值l。4U、I測(cè)量把滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)片調(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)片的位置，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拆去實(shí)驗(yàn)線路，整理好實(shí)驗(yàn)器材。七、數(shù)據(jù)處理1在求Rx的平均值時(shí)可用兩種方法(1)用Rx分別算出各次的數(shù)值，再取平均值。(2)用UI圖線的斜率求出。2計(jì)算電阻率將記錄的數(shù)據(jù)Rx、l、d的值代入電阻率計(jì)算式Rx。八、注意事項(xiàng)1本實(shí)驗(yàn)中被測(cè)金屬導(dǎo)線的電阻值較小，因此實(shí)驗(yàn)電路

7、一般采用電流表外接法。2實(shí)驗(yàn)連線時(shí)，應(yīng)先從電源的正極出發(fā)，依次將電源、開(kāi)關(guān)、電流表、待測(cè)金屬導(dǎo)線、滑動(dòng)變阻器連成主干線路(閉合電路)，然后再把電壓表并聯(lián)在待測(cè)金屬導(dǎo)線的兩端。3測(cè)量被測(cè)金屬導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度，是指測(cè)量待測(cè)導(dǎo)線接入電路的兩個(gè)端點(diǎn)之間的長(zhǎng)度，亦即電壓表兩端點(diǎn)間的待測(cè)導(dǎo)線長(zhǎng)度，測(cè)量時(shí)應(yīng)將導(dǎo)線拉直，反復(fù)測(cè)量三次，求其平均值。4測(cè)金屬導(dǎo)線直徑一定要選三個(gè)不同部位進(jìn)行測(cè)量，求其平均值。5閉合開(kāi)關(guān)S之前，一定要使滑動(dòng)變阻器的滑片處在有效電阻值最大的位置。6在用伏安法測(cè)電阻時(shí)，通過(guò)待測(cè)導(dǎo)線的電流強(qiáng)度I不宜過(guò)大(電流表用00.6 A量程)，通電時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，以免金屬導(dǎo)線的溫度明顯升高，造成其電阻率在

8、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中逐漸增大。7求R的平均值時(shí)可用兩種方法：第一種是用RU/I算出各次的測(cè)量值，再取平均值；第二種是用圖像(UI圖線)來(lái)求出。若采用圖像法，在描點(diǎn)時(shí)，要盡量使各點(diǎn)間的距離拉大一些，連線時(shí)要盡可能地讓各點(diǎn)均勻分布在直線的兩側(cè)，個(gè)別明顯偏離較遠(yuǎn)的點(diǎn)可以不予考慮。九、誤差分析1金屬絲的橫截面積是利用直徑計(jì)算而得，直徑的測(cè)量是產(chǎn)生誤差的主要來(lái)源之一。2采用伏安法測(cè)量金屬絲的電阻時(shí)，由于采用的是電流表外接法，測(cè)量值小于真實(shí)值，使電阻率的測(cè)量值偏小。3金屬絲的長(zhǎng)度測(cè)量、電流表和電壓表的讀數(shù)等會(huì)帶來(lái)偶然誤差。4由于金屬絲通電后發(fā)熱升溫，會(huì)使金屬絲的電阻率變大，造成測(cè)量誤差。例1：某同學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定一個(gè)

9、阻值約為5 的電阻Rx的阻值。(1)現(xiàn)有電源(4 V，內(nèi)阻可不計(jì))、滑動(dòng)變阻器(050 ，額定電流2 A)、開(kāi)關(guān)和導(dǎo)線若干，以及下列電表：A電流表(03 A，內(nèi)阻約0.025 )B電流表(00.6 A，內(nèi)阻約0.125 )C電壓表(03 V，內(nèi)阻約3 k)D電壓表(015 V，內(nèi)阻約15 k)為減小測(cè)量誤差，在實(shí)驗(yàn)中，電流表應(yīng)選用_，電壓表應(yīng)選用_(選填器材前的字母)；實(shí)驗(yàn)電路應(yīng)采用圖中的_(選填“甲”或“乙”)。 (2)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。請(qǐng)根據(jù)在(1)問(wèn)中所選的電路圖，補(bǔ)充完成圖中實(shí)物間的連線。(3)接通開(kāi)關(guān)，改變滑動(dòng)變阻器滑片P的位置，并記錄對(duì)應(yīng)的電流表示

10、數(shù)I、電壓表示數(shù)U。某次電表示數(shù)如圖所示，可得該電阻的測(cè)量值Rx_(保留兩位有效數(shù)字)。 (4)若在(1)問(wèn)中選用甲電路，產(chǎn)生誤差的主要原因是_；若在(1)問(wèn)中選用乙電路，產(chǎn)生誤差的主要原因是_。(選填選項(xiàng)前的字母)A電流表測(cè)量值小于流經(jīng)Rx的電流值B電流表測(cè)量值大于流經(jīng)Rx的電流值C電壓表測(cè)量值小于Rx兩端的電壓值D電壓表測(cè)量值大于Rx兩端的電壓值(5)在不損壞電表的前提下，將滑動(dòng)變阻器滑片P從一端滑向另一端，隨滑片P移動(dòng)距離x的增加，被測(cè)電阻Rx兩端的電壓U也隨之增加，下列反映Ux關(guān)系的示意圖中正確的是_。 解析(1)電源電動(dòng)勢(shì)E4 V，被測(cè)電阻Rx5 ，則Imax A0.8 A，電流表若

11、選A，讀數(shù)時(shí)誤差較大，因此電流表應(yīng)選B；考慮電壓表測(cè)量電壓時(shí)的指針轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，電壓表應(yīng)選C。由于Rx，故電流表應(yīng)選擇外接法(甲圖)。(2)見(jiàn)答案。(3)題圖中的電流表示數(shù)I0.50 A，電壓表示數(shù)U2.60 V，故Rx5.2 。(4)甲電路中產(chǎn)生誤差的原因是由于電壓表的分流作用，使電流表的示數(shù)大于流過(guò)Rx的電流，選項(xiàng)B正確；乙電路的誤差來(lái)源于電流表的分壓作用，電壓表示數(shù)為Rx和電流表的電壓之和，選項(xiàng)D正確。(5)x增加，U隨之增加，說(shuō)明變阻器接入電路的電阻R隨x的增加而減小。設(shè)變阻器的總阻值為R0，滑片P從一端滑向另一端移動(dòng)的距離為L(zhǎng)。忽略電壓表、電流表的內(nèi)阻對(duì)電路的影響，則被測(cè)電阻Rx兩端電壓

12、UE，由這一關(guān)系式分析可知，選項(xiàng)A正確。答案(1)BC甲(2)如圖所示 (3)5.2(4)BD(5)A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 )、電流表(內(nèi)阻約0.1 )、電壓表(內(nèi)阻約3 k)、滑動(dòng)變阻器R(020 ，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)1234567U/V

13、0.100.300.701.001.501.702.30I/A0.0200.0600.1600.2200.3400.4600.520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)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。圖實(shí)518 (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UI圖線。由圖線得到金屬絲的阻值Rx_

14、(保留兩位有效數(shù)字)。(5)根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以估算出金屬絲電阻率約為_(kāi)(填選項(xiàng)前的符號(hào))。A1102mB1103mC1106m D1108m(6)任何實(shí)驗(yàn)測(cè)量都存在誤差。本實(shí)驗(yàn)所用測(cè)量?jī)x器均已校準(zhǔn)。下列關(guān)于誤差的說(shuō)法中正確的選項(xiàng)是_(有多個(gè)正確選項(xiàng))。A用螺旋測(cè)微器測(cè)量金屬絲直徑時(shí)，由于讀數(shù)引起的誤差屬于系統(tǒng)誤差B由于電流表和電壓表內(nèi)阻引起的誤差屬于偶然誤差C若將電流表和電壓表的內(nèi)阻計(jì)算在內(nèi)，可以消除由測(cè)量?jī)x表引起的系統(tǒng)誤差D用UI圖像處理數(shù)據(jù)求金屬絲電阻可以減小偶然誤差解析(1)螺旋測(cè)微器的讀數(shù)為0 mm39.70.01 mm0.397 mm(2)通過(guò)給定的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)電壓接近從0開(kāi)始，故滑動(dòng)變阻

15、器采用的是分壓式接法。(3)對(duì)滑動(dòng)變阻器的分壓式接法，連線時(shí)應(yīng)使測(cè)量電路在開(kāi)始時(shí)分到的電壓為0。實(shí)物連接如圖實(shí)520(a)所示。(4)圖線應(yīng)過(guò)原點(diǎn)，且使大多數(shù)點(diǎn)在一條直線上，不在直線上的點(diǎn)均勻分布在直線兩側(cè)。圖線的斜率反映了金屬絲的電阻，所以Rx4.5 。如圖(b)所示。 (5)由Rl/S，S(d/2)2，取d4104m、l0.5 m、R4.5 ，解出1106m。(6)由于讀數(shù)引起的誤差屬于偶然誤差，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；由于電流表、電壓表內(nèi)阻引起的誤差為系統(tǒng)誤差，若將電流表和電壓表的內(nèi)阻計(jì)算在內(nèi)，則可以消除系統(tǒng)誤差，選項(xiàng)B錯(cuò)誤，選項(xiàng)C正確；利用UI圖像處理數(shù)據(jù)，相當(dāng)于多次測(cè)量取平均值，可以減小偶然誤差

16、，選項(xiàng)D正確。答案(1)0.397(0.3950.399均可)(2)甲(3)見(jiàn)解析圖(4)見(jiàn)解析圖4.5(4.34.7均可)(5)C(6)CD課后作業(yè) 班級(jí) 姓名 學(xué)號(hào) 1在“測(cè)金屬的電阻率”的實(shí)驗(yàn)中，分別用游標(biāo)卡尺和螺旋測(cè)微器測(cè)出用金屬材料制成的一段圓柱體的長(zhǎng)度和橫截面的直徑如圖所示。則該圓柱體的長(zhǎng)度為_(kāi) mm，橫截面的直徑為_(kāi) mm。解析：根據(jù)游標(biāo)卡尺讀數(shù)規(guī)則，該圓柱體的長(zhǎng)度為49 mm20.05 mm49.10 mm，根據(jù)螺旋測(cè)微器讀數(shù)規(guī)則，圓柱體橫截面的直徑為4.5 mm20.20.01 mm4.702 mm。答案：49.104.7022(1)在測(cè)定一根粗細(xì)均勻合金絲電阻率的實(shí)驗(yàn)中，利

17、用螺旋測(cè)微器測(cè)定合金絲直徑的過(guò)程如圖所示，校零時(shí)的讀數(shù)為_(kāi) mm，合金絲的直徑為_(kāi)mm。 (2)為了精確測(cè)量合金絲的電阻Rx，設(shè)計(jì)出如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)電路圖，按照該電路圖完成圖乙中的實(shí)物電路連接。解析：(1)由于螺旋測(cè)微器開(kāi)始起點(diǎn)有誤差，估讀為0.007 mm，測(cè)量后要去掉開(kāi)始誤差。(2)將電表連入電路時(shí)注意電流要從正接線柱流入，掌握滑動(dòng)變阻器的分壓接法。答案：(1)0.0070.638(2)如圖所示3某同學(xué)測(cè)量阻值約為25 k的電阻Rx，現(xiàn)備有下列器材：A電流表(量程100 A，內(nèi)阻約2 k)；B電流表(量程500 A，內(nèi)阻約300 )；C電壓表(量程15 V，內(nèi)阻約100 k)；D電壓表(量

18、程50 V，內(nèi)阻約500 k)；E直流電源(20 V，允許最大電流1 A)；F滑動(dòng)變阻器(最大阻值1 k，額定功率1 W)；G電鍵和導(dǎo)線若干。電流表應(yīng)選_，電壓表應(yīng)選_。(填字母代號(hào))該同學(xué)正確選擇儀器后連接了以下電路，為保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，并使測(cè)量誤差盡量減小，實(shí)驗(yàn)前請(qǐng)你檢查該電路，指出電路在接線上存在的問(wèn)題：_；_。解析：直流電源的電壓為20 V，為了提高讀數(shù)準(zhǔn)確度應(yīng)該選擇電壓表C，因此待測(cè)電阻兩端電壓不得超過(guò)15 V，則通過(guò)的電流不超過(guò)I600 A，電流表應(yīng)該選B。為了減小誤差電流表應(yīng)采用內(nèi)接法，因?yàn)榛瑒?dòng)變阻器的阻值遠(yuǎn)小于待測(cè)電阻的阻值，若串聯(lián)，限流效果不明顯，應(yīng)該采用分壓接法接入電路。答

19、案：BC電流表應(yīng)采用內(nèi)接法滑動(dòng)變阻器應(yīng)采用分壓式接法4用伏安法測(cè)量電阻阻值R，并求出電阻率。給定電壓表(內(nèi)阻約為50 k)、電流表(內(nèi)阻約為40 )、滑動(dòng)變阻器、電源、開(kāi)關(guān)、待測(cè)電阻(約為250 )及導(dǎo)線若干。 (1)如圖甲所示電路圖中，電壓表應(yīng)接_點(diǎn)。(填“a”或“b”)(2)圖乙中的6個(gè)點(diǎn)表示實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的6組電流I、電壓U的值，試作圖并求出電阻阻值R_ 。(保留3位有效數(shù)字)(3)待測(cè)電阻是一均勻材料制成的圓柱體，用游標(biāo)為50分度的卡尺測(cè)量其長(zhǎng)度與直徑，結(jié)果分別如圖丙、圖丁所示。由圖可知其長(zhǎng)度為_(kāi) mm，直徑為_(kāi) mm。(4)由以上數(shù)據(jù)可求出_ m。(保留3位有效數(shù)字)解析：(1)Rx，應(yīng)

20、采用電流表外接法，故電壓表應(yīng)接a點(diǎn)。(2)作圖為過(guò)原點(diǎn)的直線，其中第2個(gè)點(diǎn)誤差較大，應(yīng)舍棄，如圖所示。圖線的斜率即為電阻阻值，R229 。(3)50分度游標(biāo)卡尺的精確度為0.02 mm，由圖可知其長(zhǎng)度為(80.022)mm8.04 mm，直徑為(10.0246)mm1.92 mm。(4)由公式可求得電阻率為8.24102 m。答案：(1)a(2)作圖見(jiàn)解析229(221237均可)(3)8.041.92(4)8.241025小明利用實(shí)驗(yàn)室提供的器材測(cè)量某種電阻絲材料的電阻率，所用電阻絲的電阻約為20 。他首先把電阻絲拉直后將其兩端固定在刻度尺兩端的接線柱a和b上，在電阻絲上夾上一個(gè)與接線柱c相連的小金屬夾，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?？晒┻x擇的器材還有：電池組E(電動(dòng)勢(shì)為3.0 V，內(nèi)阻約1 )；電流表A1(量程0100 mA，內(nèi)阻約5 )；電流表A2(量程00.6 A，內(nèi)阻約0.2 )；電阻箱R(0999.9 ); 開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線若干。小明的實(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根據(jù)所提供的實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)并連接好如圖實(shí)722甲所示的實(shí)驗(yàn)電路；C調(diào)