（课标通用版）2020版高考物理总复习 第八章 04 实验八 测定金属的电阻率（同时练习使用螺旋测微

实验八测定金属的电阻率（同时练习使用螺旋测微器）一实验目的二实验原理三实验器材基础过关四实验步骤五数据处理六误差分析七注意事项考点一实验原理和实验操作考点二实验数据处理和误差分析考点三实验拓展和实验创新考点突破基础过关一、实验目的1.掌握控制电路的连接方法及电流表和电压表的读数方法。2.掌握螺旋测微器和游标卡尺的原理及读数方法。3.会用伏安法测电阻,进一步测定金属的电阻率。二、实验原理由电阻定律R=ρ ,得ρ=R ,可知需要测出金属丝的长度l和它的直径d,并计算出横截面积S,并用伏安法测出电阻Rx,即可计算出金属的电阻率。用伏安法测金属丝的电阻的实验电路如图甲、乙所示。lSSl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= 。24d2.电路连接:按实验原理电路图甲或乙连接好电路。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:把滑动变阻器的滑片调节到使其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.拆除实验电路,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= 分别算出各次的阻值,再取平均值。(2)用U-I图线的斜率求出阻值。UI2.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 = 。Sl24dUlI六、误差分析1.金属丝的横截面积是利用直径计算而得的,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.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。3.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。4.采用图甲所示电路时,闭合开关S前,应将滑动变阻器的滑片置于最左端;若采用图乙所示电路,闭合开关S前,应将滑动变阻器滑片置于最右端。5.在用伏安法测电阻时,通过待测导线的电流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。考点一实验原理和电路连接例1要测量某种合金的电阻率。(1)若合金丝长度为L,直径为D,阻值为R,则其电阻率ρ=。用螺旋测微器测合金丝的直径如图甲所示,读数为mm。 甲考点突破(2)图乙是测量合金丝阻值的原理图,S2是单刀双掷开关。根据原理图在图丙中将实物连线补充完整。 乙丙(3)闭合S1,当S2处于位置a时,电压表和电流表的示数分别为U1=1.35V,I1=0.30A;当S2处于位置b时,电压表和电流表的示数分别为U2=0.92V,I2=0.32A。根据以上测量数据判断,当S2处于位置(选填“a”或“b”)时,测量相对准确,测量值R=Ω(结果保留两位有效数字)。答案(1) 0.653(0.651~0.655均正确)(2)见解析图(3)b2.924RDL解析(1)合金丝电阻R=ρ = = ,则电阻率ρ= ;由题图甲所示螺旋测微器可知,其示数为0.5mm+15.3×0.01mm=0.653mm。LS22ρLD24ρLD24RDL(2)实物电路图如图所示。(3)根据 = ≈0.32, = ≈0.06,可知电压表示数变化较大,说明电流表分压作用较大,因此必须采用电流表外接法,即S2处于位置b。根据欧姆定律可得R= = Ω≈2.9Ω。1UU1.35V0.92V1.35V1II0.32A0.30A0.30A22UI0.920.32变式1(2018河南开封模拟)在“测定金属的电阻率”的实验中,某同学所测的金属导体的形状如图甲所示,其横截面为空心的等边三角形,外等边三角形的边长是内等边三角形边长的2倍,内三角形为中空。为了合理选用器材设计测量电路,他先用多用电表的欧姆挡“×1”按正确的操作步骤粗测其电阻,指针如图乙,则读数应记为Ω。甲乙现利用实验室的下列器材,精确测量它的电阻R,以便进一步测出该材料的电阻率ρ:A.电源E(电动势为3V,内阻约为1Ω)B.电流表A1(量程为0~0.6A,内阻r1约为1Ω)C.电流表A2(量程为0~0.6A,内阻r2=5Ω)D.最大阻值为10Ω的滑动变阻器R0E.开关S,导线若干(1)请在图丙虚线框内补充画出完整、合理的测量电路图。(2)先将R0调至最大,闭合开关S,调节滑动变阻器R0,记下各电表读数,再改变R0进行多次测量。在所测得的数据中选一组数据,用测量量和已知量来计算R时,若A1的示数为I1,A2的示数为I2,则该金属导体的电阻R=。(3)该同学用直尺测量导体的长度为L,用螺旋测微器测量了外三角形的边长a。测边长a时,螺旋测微器读数如图丁所示,则a=mm。用已经测得的物理量I1、I2、L、a及题中所给物理量可得到该金属材料电阻率的表达式为ρ=。丁答案6(1)电路图见解析图(2) (3)5.665(5.663~5.667) 2212IrII222123316()aIrLII解析多用电表读数为:6×1Ω=6Ω;(1)测量电路如图所示;(2)由欧姆定律可知:I2r2=(I1-I2)R,解得R= ;2212IrII(3)螺旋测微器读数a=5.5mm+0.01mm×16.5=5.665mm;导体的截面积为S= a2-  = a2,则根据欧姆定律R=ρ ,解得ρ= 。343422a3316LS222123316()aIrLII电路连接的一般步骤(1)首先选择实验器材,粗画电路图(暂不接电流表和电压表);(2)估算回路中电流和电压的最大值,在电表的指针有较大幅度偏转但不超过其量程的情况下,结合已知器材的规格,确定实验电路和实验器材,连接电路。方法总结考点二实验数据处理和误差分析例2某同学通过实验测量一种合金的电阻率。(1)用螺旋测微器测量合金丝的直径。为防止读数时测微螺杆发生转动,读数前应先旋紧图甲所示的部件(选填“A”“B”“C”或“D”)。从图中的示数可读出合金丝的直径为mm。(2)如图乙所示是测量合金丝电阻的电路,相关器材的规格已在图中标出。合上开关,将滑动变阻器的滑片移到最左端的过程中,发现电压表和电流表的指针只在图示位置发生很小的变化。由此可以推断:电路中(选填图中表示接线柱的数字)之间出现了(选填“短路”或“断路”)。 图甲图乙(3)在电路故障被排除后,调节滑动变阻器,读出电压表和电流表的示数分别为2.23V和38mA,由此,该同学算出接入电路部分的合金丝的阻值为58.7Ω。为了更准确地测出合金丝的阻值,在不更换实验器材的条件下,对实验应作怎样的改进?请写出两条建议。答案(1)B0.410(2)7、9断路(3)电流表改为内接;测量多组电流和电压值,计算出电阻的平均值。(或测量多组电流和电压值,用图像法求电阻值)解析(1)读数前应先旋紧B,防止读数时测微螺杆发生转动。螺旋测微器读数=0+41.0×0.01mm=0.410mm。(2)7、9之间发生断路,则内阻较大的电压表和内阻较小的电流表一起串联于电路中,此时改变阻值较小的滑动变阻器阻值时,对电压表和电流表的示数影响很小,符合题述现象,同时满足两表读数。(3)因为Rx=58.7Ω =30Ω,所以应选用电流表内接法。为了减小偶然误差可测量多组电流和电压值,计算电阻的平均值。或测量多组电流和电压值,用图像法求电阻值。VARR变式2在“测定金属的电阻率”实验中,所用测量仪器均已校准。待测金属丝接入电路部分的长度约为50cm。(1)用螺旋测微器测量金属丝的直径,其中某一次测量结果如图所示,其读数应为mm(该值接近多次测量的平均值)。 (2)用伏安法测金属丝的电阻Rx。实验所用器材为:电池组(电动势3V,内阻约1Ω)、电流表(内阻约0.1Ω)、电压表(内阻约3kΩ)、滑动变阻器R(0~20Ω,额定电流2A)、开关、导线若干。某小组同学利用以上器材正确连接好电路,进行实验测量,记录数据如下:次数1234567U/V0.100.300.701.001.501.702.30I/A0.0200.0600.1600.2200.3400.4600.520由以上实验数据可知,他们测量Rx是采用图中的图(选填“甲”或“乙”)。 (3)如图所示是测量Rx的实验器材实物图,图中已连接了部分导线,滑动变阻器的滑片P置于变阻器的一端。请根据(2)所选的电路图,补充完成图中实物间的连线,并使闭合开关的瞬间,电压表或电流表不至于被烧坏。(4)这个小组的同学在坐标纸上建立U、I坐标系,如图所示,图中已标出了与测量数据对应的4个坐标点。请在图中标出第2、4、6次测量数据的坐标点,并描绘出U-I图线。由图线得到金属丝的阻值Rx=Ω(保留两位有效数字)。(5)根据以上数据可以估算出金属丝电阻率约为(填选项前的符号)。A.1×10-2Ω·mB.1×10-3Ω·mC.1×10-6Ω·mD.1×10-8Ω·m(6)任何实验测量都存在误差。本实验所用测量仪器均已校准,下列关于误差的说法中正确的选项是(有多个正确选项)。A.用螺旋测微器测量金属丝直径时,由于读数引起的误差属于系统误差B.由于电流表和电压表内阻引起的误差属于偶然误差C.若将电流表和电压表的内阻计算在内,可以消除由测量仪表引起的系统误差D.用U-I图像处理数据求金属丝电阻可以减小偶然误差答案(1)0.397(0.395~0.399均正确)(2)甲(3)如图(a)所示(4)如图(b)所示4.4(4.3~4.7)(5)C(6)CD (a) (b)解析(1)螺旋测微器的读数原则为固定刻度+可动刻度×分度值=0+9.7×0.01mm=0.397mm。(2)由记录数据知,若采用乙图限流电路,则当U=0.10V,I=0.020A时,滑动变阻器须串入的电阻约为145Ω,大于滑动变阻器的最大阻值20Ω,所以实验中滑动变阻器R应采用分压式连接,故他们采用甲图电路。(3)实物连接图见答案,连线时要注意:①电压表的正、负接线柱不要接反。②滑动变阻器中滑片P的位置应使最初Rx两端电压为零。(4)U-I图线见答案。求出图线斜率即Rx的阻值。(5)R=ρ ,则ρ= ·R= R≈1.0×10-6Ω·m。(6)系统误差是实验原理、实验方法不完善、测量工具不精密等因素造成的误差。偶然误差是人为、环境等偶然因素造成的误差。故读数引起的误差属偶然误差,而电表的内阻引起的误差是系统误差,A、B选项错误;把电表内阻计算在内,完善了实验方案,可消除这一因素引起的系统误差,C选项正确;用多次测量求平均值的方法,可减小偶然误差,D选项正确。LSSL2()2dL方法总结实物图连线的基本原则对限流式电路,一般是从电源的正极开始,把电源、开关、滑动变阻器以及测量电路顺次连接起来即可。对分压式电路,应先将电源、开关和滑动变阻器的全部电阻用导线连接起来,然后在滑动变阻器上金属杆两端的接线柱中任选一个,依据电路中电流的流向将测量电路部分连接起来即可。创新角度实验装置\原理图创新解读实验原理的创新  1.采用教材实验原理测导线的长度。2.实验中导线电阻较小,未直接测量导线电阻值,而是测量导线电阻与定值电阻的串联阻值考点三实验拓展和实验创新实验过程的创新 1.借助安培力、左手定则考查实验电路的实物连线。2.结合安培力公式F=BIL、牛顿第二定律F=ma及直线运动规律,考查电路调节等,此处的隐含条件为金属棒的电阻率一般较小,增加两导轨间的距离使金属棒接