11.3實(shí)驗(yàn)2金屬絲電阻率的測量（導(dǎo)學(xué)案）高二物理（人教版2019）

第3節(jié)實(shí)驗(yàn)2金屬絲電阻率的測量導(dǎo)學(xué)案【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1、理解測量電阻率的實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)方法。2、通過分組實(shí)驗(yàn)，學(xué)會測量導(dǎo)體的電阻率，并能進(jìn)行誤差分析。3、通過使用游標(biāo)卡尺或螺旋測微器測量長度，以及測量電阻等過程，進(jìn)一步形成自覺遵守實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程和謹(jǐn)慎操作的習(xí)慣?！緦W(xué)習(xí)重難點(diǎn)】學(xué)習(xí)重點(diǎn)：金屬絲電阻率的測量。學(xué)習(xí)難點(diǎn)：電路的分壓式接法?！局R回顧】1、電阻率是反映導(dǎo)體材料導(dǎo)電性能的重要物理量。2、測導(dǎo)體的電阻率的基本原理是ρ＝RSl＝Rπd24l，要完成測量，應(yīng)用毫米刻度尺測量金屬絲的長度，用3、毫米刻度尺的分度值為1mm，可估讀到0.1mm。游標(biāo)卡尺的三種規(guī)格分別可精確到0.1mm、0.05mm、0.02mm，不估讀。螺旋測微器可精確到到0.01mm。用這些長度測量工具測量長度時(shí)，可用多次測量取平均值的方法減小誤差。4、測量導(dǎo)體電阻的基本方法：伏安法。實(shí)驗(yàn)原理是：R＝【自主預(yù)習(xí)】1、電流表接在電壓表兩接線柱外側(cè)的方法叫“外接法”，接在電壓表兩接線柱內(nèi)側(cè)的方法叫“內(nèi)接法”。2、在測量小電阻，即Rx<<RV情況下，使用外接法誤差較小。測量大電阻，即Rx>>RA情況下，使用內(nèi)接法誤差較小。3、限流接法電路結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、耗能少，但電壓或電流不能從0變起、調(diào)節(jié)范圍小。分壓接法電壓或電流能從0調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍大，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不方便、耗能多?！菊n堂探究】第一部分測量思路與方法思考1：測金屬絲的長度應(yīng)選用什么測量工具？測量過程中有何注意事項(xiàng)？測量工具：毫米刻度尺；分度值1mm，可估讀到0.1mm。測量思路：測量接入電路的電阻絲有效長度，多測幾次求取平均值?！纠亢撩卓潭瘸叩氖褂谩：撩卓潭瘸叩淖钚》侄戎禐?mm，測量時(shí)應(yīng)精確到1mm，估讀到0.1mm。請讀出下圖中物塊的長度：65.5mm。思考2：測金屬絲的橫截面積應(yīng)選用什么測量工具？測量過程中有何注意事項(xiàng)？測量思路：測量金屬絲的直徑d，間接得出金屬絲的橫截面積。測量方法：①若選刻度尺，利用累積法測直徑；②選螺旋測微器或游標(biāo)卡尺直接測量直徑，在電阻絲的不同位置測量3次，求得直徑的平均值。思考3：怎樣測量導(dǎo)體的電阻呢？測量方法：伏安法測量思路：用電壓表測出電阻兩端的電壓U，用電流表測出通過電阻的電流I，利用部分電路歐姆定律可以算出電阻的阻值R＝第二部分測量電路的設(shè)計(jì)連接伏安法測電阻的電路時(shí)，電表有兩種常見的接法，分別是：①電流表接在電壓表兩接線柱外側(cè)，通常叫“外接法”。②電流表接在電壓表兩接線柱內(nèi)側(cè)，通常叫“內(nèi)接法”。思考1：如圖所示，當(dāng)電流表外接時(shí)，電壓表和電流表的示數(shù)各是多少？計(jì)算得到的電阻表達(dá)式是怎樣的？與實(shí)際值的差別是怎樣的？電壓表讀數(shù)：，電流表示數(shù)：，電阻的測量值：由于，所以。誤差來源于電壓表的分流，分流越小，誤差越小。所以在測量小電阻，即Rx<<RV情況下，使用外接法誤差較小。思考2：當(dāng)電流表內(nèi)接時(shí)，如圖所示，電壓表和電流表的示數(shù)各是多少？計(jì)算得到的電阻表達(dá)式是怎樣的？與實(shí)際值的差別是怎樣的？電壓表讀數(shù)：，電流表示數(shù)：，電阻的測量值：由于，所以。誤差來源于電流表的分壓，分壓越小，誤差越小。所以測量大電阻，即Rx>>RA情況下，使用內(nèi)接法誤差較小。思考3：內(nèi)接法與外接法怎樣選擇？當(dāng)RxRA當(dāng)RxRA當(dāng)RxRA口訣：大內(nèi)偏大，小外偏小。試探法：如圖，按內(nèi)、外接的方式依次連接，觀察電流表、電壓表示數(shù)變化情況。若伏特表示數(shù)有明顯變化，即?II若安培表示數(shù)有明顯變化，即?II第三部分控制電路的設(shè)計(jì)思考1：在測量電阻時(shí)，怎樣改變電阻的電流、電壓，以達(dá)到測多組數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)效果？在電路中接入滑動變阻器。思考2：滑動變阻器該如何接入電路呢？限流式：選滑動變阻器的一上一下兩個(gè)接線柱，串聯(lián)到電路中。思考3：在第2節(jié)學(xué)習(xí)過的滑動變阻器另一種接法的電路是什么？分壓式：選滑動變阻器的一上兩下三個(gè)接線柱。思考4：限流式接法有何特點(diǎn)？當(dāng)滑片P處于A端：滑變接入阻值RP＝0；待測電阻所分電壓最大，為U0；待測電阻的電流I＝當(dāng)滑片P處于B端：滑變接入阻值RP＝Rmax；待測阻值所分電壓最小RxR思考5：分壓式接法有何特點(diǎn)？當(dāng)滑片P處于A端：滑變?nèi)孔柚礡max與Rx并聯(lián)（RAP＝0；RBP＝Rmax與Rx并聯(lián)）；待測電阻所分電壓最大，為電源電壓U0；待測電阻的電流I當(dāng)滑片P處于B端：滑變接入全部阻值Rmax，此時(shí)Rx被短路（RAP＝Rmax；RBP＝0與Rx并聯(lián)）；待測阻值所分電壓最小，為0；待測電阻的電流為0思考6：兩種接法的優(yōu)缺點(diǎn)各有哪些？①限流接法：優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、耗能少。缺點(diǎn)：電壓或電流不能從0變起、調(diào)節(jié)范圍小。②分壓接法：優(yōu)點(diǎn)：電壓或電流能從0調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍大。缺點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不方便、耗能多。思考7：怎樣選擇滑動變阻器的兩種接法？當(dāng)兩種接法均可時(shí)，一般采用限流接法。以下3種情況必須用分壓接法：①當(dāng)要求電壓或電流從0變起時(shí)；②當(dāng)待測電阻的阻值遠(yuǎn)大于滑動變阻器的總阻值時(shí)；③當(dāng)采用限流接法，無論怎樣調(diào)節(jié)都不能保證電路的安全時(shí)。思考8：怎樣選擇不同規(guī)格的滑動變阻器？①當(dāng)采用限流接法時(shí)，選擇總電阻與待測電阻的阻值相接近的那一個(gè)。②當(dāng)采用分壓接法時(shí)，選擇總電阻小而額定電流大的那一個(gè)。第四部分伏安法測電阻的電路設(shè)計(jì)及儀表選擇思考1：綜合以上分析，伏安法測電阻的電路有哪些？分壓外接法分壓內(nèi)接法限流外接法限流內(nèi)接法由于電阻絲的電阻較小，做實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇外接法；當(dāng)不要求電壓從0開始調(diào)節(jié)，可選擇耗能較低的限流法。思考2：儀表選擇的方法：①安全性原則：例如電壓表與電流表不能超過量程。②精確性原則：例如電壓表與電流表的指針偏角不能過小，應(yīng)使其指針偏角不小于滿偏的1/3。③方便性原則④經(jīng)濟(jì)性原則第五部分測金屬絲電阻率實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簻y量金屬絲的電阻率。實(shí)驗(yàn)電路圖：實(shí)驗(yàn)器材：螺旋測微器或游標(biāo)卡尺、毫米刻度尺、電壓表、電流表、定值電阻、開關(guān)及導(dǎo)線、被測金屬導(dǎo)線、電池、滑動變阻器。實(shí)驗(yàn)步驟：①測直徑：在被測金屬絲上三個(gè)不同位置各測一次直徑，并記錄；②量長度：測有效長度，反復(fù)測量3次；③連電路：按原理圖所示的電路圖連接實(shí)驗(yàn)電路；④求電阻：改變滑動變阻器滑片的位置，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)，斷開開關(guān)S。⑤拆除實(shí)驗(yàn)電路，整理好實(shí)驗(yàn)器材。測量導(dǎo)線長度和直徑的數(shù)據(jù)記錄表測量次數(shù)123平均值導(dǎo)線長l/m導(dǎo)線直徑d/m測量導(dǎo)線電阻的數(shù)據(jù)記錄表測量次數(shù)123電阻平均值電壓U/V電流I/A電阻R/Ω注意：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，應(yīng)選擇電流表外接法。②本實(shí)驗(yàn)滑動變阻器若用分壓式接法，在接通電源之前應(yīng)將滑動變阻器調(diào)到電壓表為零的狀態(tài)。③測量時(shí)應(yīng)測接入電路中的金屬絲的有效長度（即兩接線柱之間的長度）；在金屬絲的3個(gè)不同位置上用螺旋測微器或游標(biāo)卡尺測量直徑d。④電流不宜過大（電流表用00.6A量程），通電時(shí)間不宜太長，以免電阻率因溫度升高而變化。誤差分析：①直徑測量。②長度測量。③電路中電流表及電壓表內(nèi)阻對電阻測量的影響。④通電電流大小、時(shí)間長短、致使電阻絲發(fā)熱，電阻率隨之變化。【視頻】測定金屬絲的電阻率?！咀晕覝y評】1．（2016上·西藏拉薩·高二階段練習(xí)）如圖所示，A、B、C、D是滑動變阻器的四個(gè)接線柱，現(xiàn)把此變阻器串聯(lián)接入電路中，并要求滑片P向接線柱D移動時(shí)，電路中的電阻減小，則接入電路的接線柱是（）A．A和B B．A和C C．B和C D．B和D【答案】CD【詳解】根據(jù)題意可知，為了在移動中電阻減小，應(yīng)采用限流式接法，故應(yīng)接入一上一下兩個(gè)接線柱，而向D移動時(shí)電阻減小，則說明接入電路的是右半部分，故下端應(yīng)接B端，而上端CD效果是相同的，故可以是B和C或者B和D，故CD正確，AB錯(cuò)誤。故選CD。2．（2020上·北京海淀·高二北京二十中校考期末）在設(shè)計(jì)測量金屬絲電阻Rx的實(shí)驗(yàn)電路時(shí)需要思考兩個(gè)問題：①如何選擇電流表的接法？如圖乙所示，某同學(xué)采用試觸的方法，讓電壓表的一端接在A點(diǎn)，另一端先后接到B點(diǎn)和C點(diǎn)。他發(fā)現(xiàn)電壓表示數(shù)有明顯變化，而電流表示數(shù)沒有明顯變化。據(jù)此應(yīng)該選擇電流表（填寫“內(nèi)接”或“外接”）的電路。電表的內(nèi)阻可能對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，請你就你選擇的方案說明電表內(nèi)阻對電阻率測量結(jié)果是否會產(chǎn)生影響；若產(chǎn)生影響，將導(dǎo)致電阻率的測量結(jié)果偏大還是偏小。()②如何選擇滑動變阻器的接法？已知待測金屬絲的電阻約為20Ω，實(shí)驗(yàn)室提供的滑動變阻器的最大阻值為5Ω，電源電動勢為3V，需要選擇滑動變阻器的（填寫“分壓式”或“限流式”）接法?！敬鸢浮客饨佑捎陔妷罕矸至鳎瑢?dǎo)致電流表測量值偏大，電阻的測量值偏小，電阻率測量值偏小分壓式【詳解】①[2]因?yàn)殡妷罕硎緮?shù)有明顯變化，而電流表示數(shù)沒有明顯變化，所以電壓表分流不明顯，則采用電流表外接。[3]由于電壓表分流，導(dǎo)致電流表測量值偏大，電阻的測量值偏小，電阻率測量值偏小。②[4]因?yàn)榛瑒幼冏杵鞯淖柚当却郎y電阻的阻值小很多，所以滑動變阻器采用分壓式接法。3．（2022·天津津南·天津市咸水沽第一中學(xué)校考模擬預(yù)測）要測量某種合金的電阻率。①若合金絲長度為L，直徑為D，阻值為R，則其電阻率=。用螺旋測微器測合金絲的直徑如圖甲所示，讀數(shù)為mm。②圖乙是測量合金絲阻值的原理圖，S2是單刀雙擲開關(guān)，根據(jù)原理圖在圖丙中將實(shí)物連線補(bǔ)充完整③閉合S1，當(dāng)S2處于位置a時(shí)，電壓表和電流表的示數(shù)分別為U1=1.35V，I1=0.30A；當(dāng)S2處于位置b時(shí)，電壓表和電流表的示數(shù)分別為U2=0.92V，I2=0.32A；根據(jù)以上測量數(shù)據(jù)判斷，當(dāng)S2處于位置【答案】πRD24L0.655/0.653/0.654/0.656/0.657見解析【詳解】①[1]根據(jù)電阻定律R=ρ解得電阻率為ρ=[2]螺旋測微器的精確值為0.01mm0.5②[3]實(shí)物連線如圖所示③[4][5]根據(jù)ΔUU可知，電壓表示數(shù)變化較大，說明電流表分壓作用較大，因此采用電流表外接法測量時(shí)相對準(zhǔn)確，即S2處于位置bR4．（2022上·湖北·高三校聯(lián)考階段練習(xí)）某同學(xué)測量一捆銅導(dǎo)線的長度L，所用器材有：學(xué)生電源E，阻值為R0的定值電阻，電壓表V1和V2（1）用游標(biāo)卡尺在不同部位測量銅導(dǎo)線橫截面的直徑D，測量時(shí)銅導(dǎo)線應(yīng)卡在圖（a）所示的游標(biāo)卡尺的部位（選填“A”“B”“C”“D”“E”“F”或“G”），某次測量的示數(shù)如圖（b）所示，為mm；（2）按圖（c）連接電路，a、b間粗實(shí)線表示銅導(dǎo)線，閉合開關(guān)S，調(diào)節(jié)電阻箱，記錄兩塊電壓表和電阻箱的示數(shù)，繪制出圖（d），則銅導(dǎo)線的電阻值R'=Ω；查表可知銅的電阻率為ρ，用ρ、D、R'表示這捆銅導(dǎo)線的長度為L（3）若考慮電壓表內(nèi)阻的影響，則由圖（d）測得銅導(dǎo)線的電阻值（選填“大于”“小于”或“等于”）R'【答案】C1.71.2/65πD【詳解】（1）[1]測量銅導(dǎo)線橫截面的直徑D時(shí)，應(yīng)該用外測量爪C。[2]游標(biāo)卡尺讀數(shù)為1mm+7×0.1mm=1.7mm（2）[3]根據(jù)串聯(lián)電路電流相等可得U得U結(jié)合圖線斜率可得k解得R[4]由R得L（3）[5]由（2）知斜率R'與R5．（2022下·河北石家莊·高一石家莊市藁城區(qū)第一中學(xué)?？茧A段練習(xí)）在測量某金屬絲電阻率的實(shí)驗(yàn)中，（1）用圖甲所示電路測量，要求電壓能從零開始測量，并能多測量幾組數(shù)據(jù)，請用筆畫線代替導(dǎo)線，在圖甲中僅添加一根導(dǎo)線完成實(shí)驗(yàn)的電路連接。()（2）實(shí)驗(yàn)時(shí)，閉合開關(guān)前滑片應(yīng)置于滑動變阻器的（選填“左”或“右”）端；測量結(jié)束后，應(yīng)先斷開開關(guān)，再拆除導(dǎo)線，最后整理好器材。（3）實(shí)驗(yàn)中，測量數(shù)據(jù)如下表所示。請你在圖乙中描出金屬絲的U﹣I圖像。()實(shí)驗(yàn)次數(shù)123456U/V0.901.201.501.802.102.40I/A0.180.240.310.370.430.49（4）由U﹣I圖像計(jì)算出金屬絲的電阻為R=。（5）測出金屬絲的長度L和直徑d，根據(jù)電阻定律推導(dǎo)出金屬絲電阻率的表達(dá)式為()?！敬鸢浮孔?.8Ω/4.9Ω/5.0Ω/5.1Ωρ=πRd【詳解】（1）[1]實(shí)驗(yàn)要求電壓能從零開始測量，滑動變阻器應(yīng)采用分壓接法，實(shí)物電路圖如圖所示：（2）[2]滑動變阻器采用分壓接法，為保護(hù)電路，實(shí)驗(yàn)時(shí)閉合開關(guān)前滑片應(yīng)置于滑動變阻器的左端。（3）[3]根據(jù)表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系內(nèi)描出對應(yīng)點(diǎn)，讓盡可能多的點(diǎn)過直線，不能過直線的點(diǎn)對稱分布在直線兩側(cè)，根據(jù)坐標(biāo)系內(nèi)描出的點(diǎn)作出圖像如圖乙所示：（4）[4]由圖示圖像，根據(jù)歐姆定律可知，金屬絲的電阻R=UI=3.00（5）[5]由電阻定律得R=ρ電阻率ρ=【學(xué)