【完整版課件】新教材魯科版必修第三冊 3.6 科學(xué)測量金屬絲的電阻率 課件（57張）

第6節(jié)科學(xué)測量:金屬絲的電阻率

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.學(xué)習(xí)伏安法測電阻的方法。2.測量金屬絲的電阻率。二、實(shí)驗(yàn)器材刻度尺、___________、學(xué)生電源、___________、電壓表、電流表、開關(guān)、金屬絲、導(dǎo)線。實(shí)驗(yàn)必備·自主學(xué)習(xí)螺旋測微器滑動(dòng)變阻器【思考·討論】用伏安法測量金屬絲的電阻時(shí),選用電流表的內(nèi)接法還是外接法?提示:根據(jù)金屬絲的電阻的大小不同選用的方法不同。如果金屬絲的電阻較小,選用電流表的外接法。三、實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)1.實(shí)驗(yàn)原理:(1)電阻率的測定原理:由電阻定律R=ρ可知,金屬的電阻率ρ=R,因此測出金屬導(dǎo)線的長度l和它的直徑d,計(jì)算出導(dǎo)線的橫截面積S,并用伏安法測出金屬導(dǎo)線的電阻R=,即可由ρ=算出金屬導(dǎo)線的電阻率。(2)伏安法測電阻:電流表的接法內(nèi)接法外接法電路

電流表的接法內(nèi)接法外接法誤差分析電壓表示數(shù)UV=UR+UA>UR電流表示數(shù)IA=IR誤差來源于電流表的分壓作用電壓表示數(shù)UV=UR電流表示數(shù)IA=IR+IV>IR誤差來源于電壓表的分流作用2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)——物理量的測量及計(jì)算方法:(1)電阻的測量。根據(jù)歐姆定律可得:R=

。(2)截面積的測量。根據(jù)圓的面積公式可得:S=

。(3)電阻率的測量。根據(jù)電阻的決定式可得電阻率:ρ=

。實(shí)驗(yàn)步驟1.測直徑:用螺旋測微器在導(dǎo)線的三個(gè)不同位置上各測一次,并記錄。2.測長度:將金屬絲兩端固定在接線柱上懸空掛直,用毫米刻度尺測量接入電路的金屬絲長度L(即有效長度),反復(fù)測量三次,并記錄。3.連器材:依照如圖所示的電路圖用導(dǎo)線把器材連好,并把滑動(dòng)變阻器的阻值調(diào)至最大。實(shí)驗(yàn)過程·探究學(xué)習(xí)4.測數(shù)據(jù):電路經(jīng)檢查無誤后,閉合開關(guān)S,改變滑動(dòng)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。記入記錄表格內(nèi),斷開開關(guān)S。5.整理好實(shí)驗(yàn)器材,實(shí)驗(yàn)結(jié)束?！舅伎肌び懻摗?1)為什么金屬絲的長度和直徑的測量要選用不同的測量工具?選擇測量工具的依據(jù)是什么?提示:金屬絲的長度測量用刻度尺,直徑的測量用螺旋測微器。依據(jù)是兩者的量程和精度不同。(2)實(shí)驗(yàn)過程中,應(yīng)注意哪些方面的安全操作問題?提示:接通開關(guān)前,注意檢查電源是否短路,是否正確連接電表,以免損壞實(shí)驗(yàn)器材。閉合開關(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?！緮?shù)據(jù)收集與分析】1.列l(wèi)、d數(shù)據(jù)收集表:導(dǎo)線的截面積S=π()2(公式)=

(代入數(shù)據(jù))=

m2。

測量次數(shù)123平均值導(dǎo)線長l/m導(dǎo)線直徑d/m2.列U、I、R的數(shù)據(jù)收集表:所測金屬的電阻率ρ=(公式)=

(代入數(shù)據(jù))=

Ω·m。

測量次數(shù)123電阻平均值電壓U/V電流I/A電阻R/Ω3.數(shù)據(jù)處理:(1)根據(jù)記錄結(jié)果,計(jì)算出金屬絲的直徑d和長度l的平均值。(2)根據(jù)記錄的I、U值,計(jì)算出金屬絲的平均電阻值R。(3)將測得的R、l、d的值代入電阻率計(jì)算公式ρ==中,計(jì)算出金屬絲的電阻率?！舅伎肌び懻摗勘緦?shí)驗(yàn)中,金屬絲的電阻是通過測量多組數(shù)據(jù)求其平均值得到的。為了減小實(shí)驗(yàn)誤差,請?zhí)岢隽硗庖环N處理金屬絲電阻實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法?提示:可建立U-I坐標(biāo)系,將測量的U、I值對應(yīng)描點(diǎn)作出圖像,利用圖像斜率來求出電阻值R?！菊`差分析】1.實(shí)驗(yàn)原理不完善造成系統(tǒng)誤差:采用伏安法測量金屬絲的電阻時(shí),由于采用的是電流表外接法,測量值小于真實(shí)值,使電阻率的測量值偏小。2.測量、操作不夠準(zhǔn)確造成偶然誤差:(1)金屬絲的橫截面積是利用直徑計(jì)算而得,直徑的測量是產(chǎn)生誤差的原因之一。(2)金屬絲的長度測量、電流表和電壓表的讀數(shù)等會(huì)帶來偶然誤差。(3)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,造成測量誤差?！舅伎肌び懻摗扛鶕?jù)誤差分析,請從實(shí)驗(yàn)測量的角度提出減小誤差的方法。提示:(1)測量被測金屬絲的有效長度,是指測量被測金屬絲接入電路的兩個(gè)端點(diǎn)之間的長度,測量時(shí)應(yīng)將金屬絲拉直,反復(fù)測量三次,求其平均值。(2)測金屬絲直徑一定要選三個(gè)不同部位進(jìn)行測量,求其平均值。(3)在用伏安法測電阻時(shí),通過被測金屬絲的電流強(qiáng)度I不宜過大,通電時(shí)間不宜過長,以免金屬絲的溫度明顯升高,造成其電阻率在實(shí)驗(yàn)過程中逐漸增大。類型一教材原型實(shí)驗(yàn)角度1實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作【典例1】現(xiàn)有一合金制成的圓柱體,某興趣小組為測量該合金的電阻率,現(xiàn)用伏安法測量圓柱體兩端之間的電阻,用螺旋測微器測量該圓柱體的直徑,用游標(biāo)卡尺測量該圓柱體的長度。(1)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=

。

實(shí)驗(yàn)研析·創(chuàng)新學(xué)習(xí)(2)該興趣小組粗測該圓柱體的電阻約為10Ω,為了更準(zhǔn)確測定其電阻率,實(shí)驗(yàn)室中有以下供選擇的器材:A.電池組(3V,內(nèi)阻忽略不計(jì))B.電流表A1(0～3A,內(nèi)阻0.0125Ω)C.電流表A2(0～0.6A,內(nèi)阻約為0.125Ω)D.電壓表V1(0～3V,內(nèi)阻4kΩ)E.電壓表V2(0～15V,內(nèi)阻15kΩ)F.滑動(dòng)變阻器R1(0～20Ω,允許最大電流1A)G.滑動(dòng)變阻器R2(0～2000Ω,允許最大電流0.3A)H.開關(guān),導(dǎo)線若干為了使實(shí)驗(yàn)電路更節(jié)能,且測量結(jié)果盡量準(zhǔn)確,測量時(shí)電流表應(yīng)選

,滑動(dòng)變阻器應(yīng)選

。(填寫器材前字母代號)

(3)用伏安法測其電阻時(shí),本實(shí)驗(yàn)需采用電流表

(選填“外”或“內(nèi)”)接法,測得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比起真實(shí)值

(選填“偏大”或“偏小”)。

【解析】(1)根據(jù)電阻定律以及歐姆定律有R=,所以電阻率為ρ=;(2)因?yàn)殡娫措妱?dòng)勢為3V,所以電壓表選擇D,電路中的最大電流為I==0.3A,所以電流表選擇C,因?yàn)榇郎y電阻的阻值大約為10Ω,為了使得調(diào)節(jié)時(shí)方便,且可以多測得幾組數(shù)據(jù),減小測量誤差,滑動(dòng)變阻器選擇F;(3)因?yàn)镽x<,所以待測電阻是小電阻,電流表采用外接法,因?yàn)殡妷罕淼姆至髯饔?電流表測得的是電壓表和待測電阻的電流之和,所以根據(jù)歐姆定律可知,此接法測得的電阻值比真實(shí)值偏小。答案:(1)(2)CF(3)外偏小【規(guī)律方法】滑動(dòng)變阻器的兩種接法的選擇方法(1)若滑動(dòng)變阻器阻值調(diào)到最大時(shí),待測電阻上的電流(或電壓)仍超過電流表(或電壓表)的量程,或超過待測電阻的額定電流(或電壓),則必須選用分壓式接法。(2)若待測電阻的阻值比滑動(dòng)變阻器總電阻大得多,以致在限流電路中,滑動(dòng)變阻器的滑片從一端滑到另一端時(shí),待測電阻上的電流或電壓變化范圍不夠大,此時(shí),應(yīng)改用分壓式接法。(3)若實(shí)驗(yàn)中要求測量電路中電壓從零開始變化,則必須采用分壓式接法。(4)兩種電路均可使用的情況下,應(yīng)優(yōu)先采用限流式接法,因?yàn)橄蘖魇浇臃娐泛唵?、耗能低。角?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理【典例2】在“測定金屬絲的電阻率”實(shí)驗(yàn)中,所用測量儀器均已校準(zhǔn)。待測金屬絲接入電路部分的長度約為50cm。(1)用螺旋測微器測量金屬絲的直徑,其中某一次測量結(jié)果如圖1所示,其讀數(shù)應(yīng)為

mm(該值接近多次測量的平均值)。

(2)用伏安法測金屬絲的電阻Rx。實(shí)驗(yàn)所用器材為:電池組(電動(dòng)勢3V,內(nèi)阻約1Ω)、電流表(內(nèi)阻約0.1Ω)、電壓表(內(nèi)阻約3kΩ)、滑動(dòng)變阻器R(0～20Ω,額定電流2A)、開關(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)測量,記錄數(shù)據(jù)如表所示:次數(shù)12345678U/V00.10.30.711.51.72.3I/A00.020.060.160.220.340.460.52Rx/Ω05.005.004.384.554.413.704.42由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,他們測量Rx是采用圖2中的

(選填“甲”或“乙”)圖。

(3)圖3是測量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。請根據(jù)(2)所選的電路圖,補(bǔ)充完成圖中實(shí)物間的連線。

(4)由表格中的數(shù)據(jù)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)可以估算出金屬絲電阻率約為

(填選項(xiàng)前的符號)。

A.1×10-2Ω·m B.1×10-3Ω·mC.1×10-6Ω·m D.1×10-8Ω·m【解析】(1)螺旋測微器的讀數(shù)為:d=0+39.8×0.01mm=0.398mm。(2)從給出的數(shù)據(jù)表可知,電流表和電壓表的讀數(shù)變化范圍較大,而且可以從零開始,所以變阻器采用的應(yīng)是分壓式接法,即測量采用的是甲圖。(3)根據(jù)題(2)選擇的電路圖,實(shí)物圖如圖所示:

(4)由平均值計(jì)算得到金屬絲的阻值為:Rx=4.5Ω。(5)選C。根據(jù)Rx=得:ρ=代入數(shù)據(jù)得:ρ=1×10-6Ω·m,故C正確,A、B、D錯(cuò)誤。答案:(1)0.398(2)甲(3)見解析圖(4)4.5(5)C

類型二創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)【典例3】導(dǎo)電玻璃是制造LCD的主要材料之一,為測量導(dǎo)電玻璃的電阻率,某小組同學(xué)選取長度L=20.00cm、橫截面積為6.0×10-7m2的圓柱體導(dǎo)電玻璃進(jìn)行實(shí)驗(yàn),用歐姆表粗測該導(dǎo)電玻璃的電阻Rx,發(fā)現(xiàn)其電阻約為13.0Ω。(1)為精確測量Rx的阻值,該小組設(shè)計(jì)了如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)電路,可供使用的主要器材如下:電源E(電動(dòng)勢為4.5V,內(nèi)阻約1Ω);電阻箱R0(阻值0～999.9Ω);電流表A1(量程0～200mA,內(nèi)阻約1.5Ω);電流表A2(量程0～3A,內(nèi)阻約0.5Ω);滑動(dòng)變阻器R1(阻值范圍0～1kΩ);滑動(dòng)變阻器R2(阻值范圍0～20Ω)。①電流表應(yīng)選用

,滑動(dòng)變阻器應(yīng)選用

。(填器材代號)

②該小組進(jìn)行了如下操作:A.將滑動(dòng)變阻器的滑片移到最右端,將S1撥到位置1,閉合S2,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R,調(diào)到合適位置時(shí)讀出電流表的示數(shù)I;B.將S1撥到位置2,調(diào)節(jié)電阻箱的阻值,當(dāng)電流表的讀數(shù)為

時(shí),不再改變,此時(shí)電阻箱的數(shù)值如圖乙所示,可求得導(dǎo)電玻璃的電阻為Rx=

Ω。

(2)由以上實(shí)驗(yàn)可求得該導(dǎo)電玻璃的電阻率ρ=

Ω·m。

【解析】(1)①根據(jù)題意可知,電路中的最大電流為Imax=A≈346mA,所以電流表選擇A1,由于待測電阻的阻值約為13Ω,為了使得調(diào)節(jié)方便,滑動(dòng)變阻器選擇R2。②根據(jù)題意可知,該實(shí)驗(yàn)主要采用的是等效替代的原理,所以將開關(guān)撥到位置2時(shí),應(yīng)調(diào)節(jié)電阻箱的阻值,使得電流表的讀數(shù)不變,仍然為I。導(dǎo)電玻璃的電阻為Rx=12.8Ω。(2)根據(jù)電阻定律可知,玻璃的電阻率為:ρ=,代入數(shù)據(jù)可得:ρ=3.84×10-5Ω·m。答案:(1)①A1R2②I12.8(2)3.84×10-5【創(chuàng)新評價(jià)】創(chuàng)新角度創(chuàng)新方案待測電阻的測量方法創(chuàng)新伏安法測電阻改進(jìn)為等效法測電阻實(shí)驗(yàn)器材創(chuàng)新用電阻箱替代電壓表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理創(chuàng)新用伏安法計(jì)算電阻改進(jìn)為直接通過電阻箱的讀數(shù)得到待測電阻的阻值【創(chuàng)新探究】(1)本典例的實(shí)驗(yàn)原理與教材實(shí)驗(yàn)的原理是否相同?若是,它們分別怎樣測量待測電阻的阻值?提示:不相同。教材中通過伏安法來測量待測電阻。本實(shí)驗(yàn)中通過等效替代的思想來通過已知電阻測量未知電阻。(2)本實(shí)驗(yàn)與教材實(shí)驗(yàn)相比,本實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是什么?提示:本實(shí)驗(yàn)測量電阻的過程中不存在由于電流表的內(nèi)外接法而帶來的系統(tǒng)誤差。電阻箱的讀數(shù)就是待測電阻的阻值大小。1.在“測定金屬絲的電阻率”實(shí)驗(yàn)中,以下操作中錯(cuò)誤的是 ()A.用刻度尺測出金屬絲的總長度三次,算出其平均值B.用螺旋測微器在金屬絲三個(gè)不同部位各測量一次直徑,算出其平均值C.用伏安法測電阻時(shí)采用電流表的外接法,多次測量后算出其平均值D.實(shí)驗(yàn)中應(yīng)保持金屬絲的溫度不變課堂檢測·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)【解析】選A。測定金屬絲電阻率所用的長度是指導(dǎo)線接入電路中的有效長度,并不是總長度,所以A錯(cuò)誤;用螺旋測微器在金屬絲三個(gè)不同部位各測量一次直徑,算出其平均值,可以減小誤差,故B正確;由于待測電阻的阻值較小,故為了減小誤差,用伏安法測電阻時(shí)采用電流表的外接法,故C正確;金屬絲電阻受溫度影響,為減小實(shí)驗(yàn)誤差,實(shí)驗(yàn)中應(yīng)保持金屬絲的溫度不變,故D正確。2.在“測定金屬的電阻率”的實(shí)驗(yàn)中:(1)某同學(xué)測量金屬線Rx的直徑時(shí)螺旋測微器如圖1所示,則該金屬線的直徑為d=

。

(2)金屬線Rx的電阻大約是3Ω,實(shí)驗(yàn)室提供的電流表A(量程0～2.5mA,內(nèi)阻約30Ω)、電壓表V(量程0～3V,內(nèi)阻約3kΩ)。則金屬線、電流表和電壓表的連接方式應(yīng)該采用圖2中的

。

【解析】(1)由圖1所示螺旋測微器可知,固定刻度示數(shù)為1.5mm,可動(dòng)刻度示數(shù)為22.1×0.01mm=0.221mm,螺旋測微器的示數(shù)為1.5mm+0.221mm=1.721mm。(2)由題意可知,=0.1,=1000,,則電流表應(yīng)采用外接法,應(yīng)選圖乙所示電路圖。答案:(1)1.721mm(1.721～1.723mm都正確)(2)乙3.利用螺旋測微器、米尺和如圖所示的器材(其中電流表的內(nèi)阻為1Ω,電壓表的內(nèi)阻為5kΩ)測量一根粗細(xì)均勻的阻值約為5Ω的金屬絲的電阻率。(1)用筆畫線代替導(dǎo)線,將圖甲中的器材連接成實(shí)物電路,要求連線盡量避免交叉,電流表、電壓表應(yīng)該選擇合適的量程(已知電源的電壓為6V,滑動(dòng)變阻器的阻值為0～20Ω)。(2)實(shí)驗(yàn)時(shí),用螺旋測微器測量金屬絲的直徑和用米尺測量金屬絲的長度示數(shù)如圖乙所示,電流表、電壓表的讀數(shù)如圖丙所示。由圖可以讀出金屬絲兩端的電壓U=

,流過金屬絲的電流強(qiáng)度I=

,金屬絲的長度l=

,金屬絲的直徑d=

。

(3)該金屬絲的電阻率是

(保留兩位有效數(shù)字)。

【解析】(1)由于金屬絲的電阻比電壓表的內(nèi)阻小得多,因此采用電流表外接法;由于金屬絲的電阻比滑動(dòng)變阻器的總電阻要小,因此采用限流式接法,為了保證滑動(dòng)變阻器起限流作用,滑動(dòng)變阻器應(yīng)該連接“A(B)、C”或“A(B)、D”幾個(gè)接線柱;由圖可以看出電流表應(yīng)該連接“+”接線柱和“0.6”接線柱,具體連線如圖所示。(2)由圖可以看出:電壓表的量程是3V,所以讀數(shù)是2.20V;電流表的量程是0.6A,所以讀數(shù)是0.44A;由于螺旋測微器的半毫米刻度線已經(jīng)露出,因此讀數(shù)是1.850×10-3m;米尺的讀數(shù)是40.50cm-10.00cm=30.50cm。(3)由電阻定律得ρ=Ω·m≈4.4×10-5Ω·m。答案:(1)見解析圖(2)2.20V0.44A30.50cm1.850×10-3m(3)4.4×10-5Ω·m4.某同學(xué)測量一段長度已知的電阻絲的電阻率。實(shí)驗(yàn)操作如下:(1)螺旋測微器如圖1所示。在測量電阻絲直徑時(shí),先將電阻絲輕輕地夾在測砧與測微螺桿之間,再旋動(dòng)

(選填“A”“B”或“C”),直到聽見“喀喀”的聲音,以保證壓力適當(dāng),同時(shí)防止螺旋測微器的損壞。

(2)選擇電阻絲的

(選填“同一”或“不同”)位置進(jìn)行多次測量,取其平均值作為電阻絲的直徑。

(3)圖2甲中Rx為待測電阻絲。請用筆畫線代替導(dǎo)線,將滑動(dòng)變阻器接入圖2乙實(shí)物電路中的正確位置。(4)為測量Rx,利用圖2甲所示的電路,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器測得5組電壓U1和電流I1的值,作出的U1-I1關(guān)系圖像如圖3所示。接著,將電壓表改接在a、b兩端,測得5組電壓U2和電流I2的值,數(shù)據(jù)見表格:U2/V0.501.021.542.052.55I2/mA20.040.060.080.0100.0請根據(jù)表中的數(shù)據(jù),在圖3中作出U2-I2圖像。(5)由此,可求得電阻絲的Rx=

Ω。根據(jù)電阻定律可得到電阻絲的電阻率。

【解析】(1)為保護(hù)螺旋測微器,將電阻絲輕輕地夾在測砧與測微螺桿之間,再旋動(dòng)微調(diào)旋鈕C,直到聽見“喀喀”的聲音,以保證壓力適當(dāng),同時(shí)防止螺旋測微器的損壞。(2)為減小實(shí)驗(yàn)誤差,選擇電阻絲的不同位置進(jìn)行多次測量,取其平均值作為電阻絲的直徑。(3)根據(jù)圖示電路圖連接實(shí)物電路圖,實(shí)物電路圖如圖所示:(4)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),然后根據(jù)坐標(biāo)系內(nèi)描出的點(diǎn)作出圖像如圖所示:(5)由圖示電路圖可知:Rx+RA+R0=Ω=49Ω,RA+R0=Ω=25.5Ω,則電阻絲阻值:Rx=(49-25.5)Ω=23.5Ω。答案:(1)C(2)不同(3)見解析圖(4)見解析圖(5)23.5【加固訓(xùn)練】甲、乙兩同學(xué)想利用實(shí)驗(yàn)室提供的器材測量某種電阻絲材料的電阻率,所用電阻絲的電阻約為20Ω,長度約50cm。(1)用螺旋測微器測量電阻絲直徑,讀數(shù)如圖1甲,則其直徑d為

mm。

(2)甲同學(xué)用圖1乙所示電路測量,他把電阻絲拉直后將其兩端固定在刻度尺兩端的接線柱8和9上,連接好電路,閉合開關(guān),將滑動(dòng)變阻器的滑片移到最左端的過程中,發(fā)現(xiàn)電壓表(量程0～3V)和電流表(量程0～100mA)的指針只在圖示位置發(fā)生很小的變化。由此可以推斷:電路中

(填圖中表示接線柱的數(shù)字)之間出現(xiàn)了

(選填“短路”或“斷路”)。

(3)乙同學(xué)用另外的方法測量電阻絲的電阻。他又找來一個(gè)電阻箱R(0～999.9Ω)、一個(gè)小金屬夾,按照圖2甲所示連接電路,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