2019-2020学年高中物理 第2章 学生实验：探究决定导体电阻的因素（测定金属的电阻率）课件 教

第二章直流电路学生实验：探究决定导体电阻的因素(测定金属的电阻率)[学习目标]1.进一步掌握用伏安法测电阻的电路的设计思想．2.掌握螺旋测微器的读数方法．3.掌握测定金属电阻率的实验原理、实验过程及数据处理方法．知识探究一、测定金属的电阻率1．实验原理(1)把金属丝接入电路中，用伏安法测金属丝的电阻R(R＝__)．电路原理图如图所示．UI(2)用__________测出金属丝的长度l，用__________测出金属丝的直径d，算出横截面积S(S＝πd24)．(3)由电阻定律R＝____，得ρ＝RSl＝πd2R4l＝πd2U4lI，求出电阻率．毫米刻度尺螺旋测微器ρlS2．实验器材螺旋测微器、__________、电压表、电流表、定值电阻、开关及导线、被测金属导线、电池、__________．3．实验步骤(1)测直径：用螺旋测微器在被测金属导线上三个不同位置各测一次直径，并记录．(2)连电路：按如图所示的电路图连接实验电路．毫米刻度尺滑动变阻器(3)量长度：用__________测量接入电路中的被测金属导线的有效长度，重复测量3次，并记录．(4)求电阻：把滑动变阻器的滑动触头调节到使接入电路中的电阻值____的位置，电路经检查确认无误后，闭合开关S.改变滑动变阻器滑动触头的位置，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.毫米刻度尺最大4．数据处理电阻R的数值可用以下两种方法确定：(1)计算法：利用每次测量的U、I值分别计算出电阻，再求出电阻的______作为测量结果．(2)图像法：可建立I­U坐标系，将测量的U、I值描点作出图像，利用图像的____来求出电阻值R.平均值斜率5．误差分析(1)金属丝的横截面积是利用直径计算而得，直径的测量是产生误差的主要来源之一．(偶然误差)(2)由于采用的是电流表外接法，金属丝电阻的测量值小于真实值，使电阻率的测量值偏小．(系统误差)(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，造成系统误差．6．实验注意事项(1)因一般金属丝电阻较小，为了减少实验的系统误差，必须选择电流表__接法．(2)本实验若用限流式接法，在接通电源之前应将滑动变阻器调到阻值____状态．(3)测量l时应测接入电路的金属丝的____长度(即两接线柱之间的长度)；在金属丝的3个不同位置上用螺旋测微器测量直径d.(4)电流不宜过__(电流表用0～0.6A量程)，通电时间不宜____，以免电阻率因温度升高而变化．外最大有效大太长二、螺旋测微器和游标卡尺的原理及读数方法1．螺旋测微器的原理及读数方法(1)构造：如图所示，B为固定刻度，E为可动刻度．(2)原理：测微螺杆F与固定刻度B之间的精密螺纹的螺距为0.5mm，即旋钮D每旋转一周，F前进或后退______mm，而可动刻度E上的刻度为50等份，每转动一小格，F前进或后退________mm，即螺旋测微器的精确度为________mm.读数时估读到毫米的千分位上，因此，螺旋测微器又叫千分尺．(3)读数：①测量时被测物体长度的半毫米数由____刻度读出，不足半毫米部分由____刻度读出．0.50.010.01固定可动②测量值(mm)＝固定刻度数(mm)(注意半毫米刻度线是否露出)＋可动刻度数(估读一位)×________(mm)．如图所示，固定刻度示数为2.0mm，不足半毫米而从可动刻度上读的示数为15.0，最后的读数为：______mm＋___________mm＝__________mm.0.012.015.0×0.012.1502．游标卡尺的原理及读数方法(1)构造：主尺、游标尺(主尺和游标尺上各有一个内、外测量爪)、游标卡尺上还有一个深度尺(如图所示)．(2)用途：测量厚度、长度、深度、内径、外径．(3)原理：利用主尺的最小分度与游标尺的最小分度的差值制成．不管游标尺上有多少个小等分刻度，它的刻度部分的总长度比主尺上的同样多的小等分刻度少1mm.常见的游标尺上小等分刻度有10个、20个、50个的，其规格见下表：刻度格数(分度)刻度总长度1mm与每小格的差值精确度(可精确到)109mm0.1mm0.1mm2019mm0.05mm0.05mm5049mm0.02mm0.02mm(4)读数：若用x表示从主尺上读出的整毫米数，K表示从游标尺上读出与主尺上某一刻度线对齐的游标的格数，则记录结果表示为(x＋K×精确度)mm.如图所示用游标为20分度的卡尺测量球的直径，其读数为______________________mm＝________mm.(6＋13×0.05)6.65典例剖析【例1】有一根细而均匀的导电材料样品(如图甲所示)，截面为同心圆环(如图乙所示)，此样品长L约为3cm，电阻约为100Ω，已知这种材料的电阻率为ρ，因该样品的内径太小，无法直接测量，现提供以下实验器材：A．20等分刻度的游标卡尺B．螺旋测微器C．电流表A1(量程50mA，内阻r1＝100Ω)D．电流表A2(量程100mA，内阻r2大约为40Ω)E．电流表A3(量程3A，内阻r3大约为0.1Ω)F．滑动变阻器R(0～10Ω，额定电流2A)G．直流电源E(12V，内阻不计)H．导电材料样品Rx(长L约为3cm，电阻Rx约为100Ω)I．开关一只，导线若干请根据上述器材设计一个尽可能精确地测量该样品内径d的实验方案，回答下列问题：(1)用游标卡尺测得该样品的长度如图丙所示，其示数L＝________mm；用螺旋测微器测得该样品的外径如图丁所示，其示数D＝________mm.(2)请选择合适的仪器，画出最佳实验电路图，并标明所选器材．(3)实验中要测量的物理量有：_________________________(同时用文字和符号说明)．然后用已知物理量的符号和测量的符号来表示样品的内径d＝________．思路点拨：①估算待测电阻的最大电流，确定所选电流表．②用内阻已知的电流表代替电压表．[解析](1)游标卡尺读数为：L＝30mm＋7×0.05mm＝30.35mm螺旋测微器测得该样品的外径为：d＝3mm＋20.6×0.01mm＝3.206mm.(2)通过电阻的最大电流大约I＝12100A＝120mA，3A电流表量程偏大，另外两个电流表中，D电流表的满偏电流大于C电流表的满偏电流，又C电流表内阻为定值，根据欧姆定律与串并联知识，应将C电流表与待测材料并联后再与D电流表串联，又因滑动变阻器阻值太小，应用分压式接法，可设计电路图如图所示．(3)设A1电流表示数为I1，A2电流表示数为I2，由欧姆定律可得待测电阻阻值R＝I1r1I2－I1.又由电阻定律：R＝ρLS＝ρLπD22－πd22.联立解得：d＝D2－4ρL（I2－I1）πI1r1.[答案](1)30.353.206(3.206～3.208)(2)见解析图(3)A1电流表示数为I1，A2电流表示数为I2D2－4ρL（I2－I1）πI1r1【例2】在“探究电阻与长度、横截面积的关系”的实验中，用刻度尺测量金属丝直径时的刻度位置如图所示，金属丝的匝数为39，用米尺测出金属丝的长度L，金属丝的电阻大约为5Ω，先用伏安法测出金属丝的电阻R，然后用控制变量法探究电阻与导体长度、横截面积的关系．(1)从图中读出金属丝的直径为________mm.(2)为此取来两节新的干电池、开关和若干导线及下列器材：A．电压表0～3V，内阻约10kΩB．电压表0～15V，内阻约50kΩC．电流表0～0.6A，内阻约0.05ΩD．电流表0～3A，内阻约0.01ΩE．滑动变阻器，0～10ΩF．滑动变阻器，0～100Ω①要求较准确地测出其阻值，电压表应选________，电流表应选________，滑动变阻器应选________．(填序号)②实验中某同学的实物接线如图所示，请指出该同学实物接线中的两处明显错误．错误a：_______________________________________；错误b：________________________________________.思路点拨：①根据金属丝的宽度＝匝数×金属丝的直径，可求金属丝的直径．②根据干电池电动势、金属丝的电阻大约值，可以确定电表的选取及滑动变阻器的选取．[解析](1)从图中可读出紧密绕制的金属丝的宽度为2.53cm，故直径为2.53cm39≈0.0649cm＝0.649mm(0.647～0.651均可)．(2)①因为两节干电池的电动势是3V，用3V量程的电压表A；因为金属丝的电阻大约为5Ω，如果把3V的电动势全加在金属丝上，电流才是0.6A，因此用量程是0.6A的电流表C；此题中金属丝的电阻大约为5Ω，为了减小实验误差，应选10Ω的滑动变阻器E.[答案](1)0.649(0.647～0.651)(2)①ACE②错误a：导线连接在滑动变阻器的滑片上错误b：采用了电流表内接法(1)实物连线时，要注意导线不能交叉．闭合开关时，分压电路的输出端电压要为零．(2)长度读数时要注意：①以毫米为单位时，小数点后面要有三位有效数字，特别是最后一位估读数字为零时，不能省略．②游标卡尺读数时不需要估读；螺旋测微器读数时要注意半毫米刻度线是否已露出．随堂自测1．在“测定金属的电阻率”的实验中，(1)某同学用螺旋测微器测金属丝直径时，测得结果如图甲所示，则该金属丝的直径为________mm.(2)用量程为3V的电压表和量程为0.6A的电流表测金属丝的电压和电流时读数如图乙、丙所示，则电压表的读数为________V，电流表的读数为________A.(3)用米尺测量金属丝的长度L＝0.810m．利用以上测量数据，可得这种材料的电阻率为________Ω·m(保留两位有效数字)．[解析](1)螺旋测微器的读数为：d＝2.5mm＋43.5×0.01mm＝2.935mm.(2)因电压表的每小格读数为0.1V，所以应估读到0.01V，所以电压表的读数为：U＝2.60V；同理，电流表的每小格读数为0.02A，应估读到0.01A，所以电流表的读数为：I＝0.52A.(3)根据R＝ρLS得：ρ＝RSL＝R·d22πL代入数据得：ρ＝4.2×10－5Ω·m.[答案](1)2.935(2)2.600.52(3)4.2×10－52．在“测定金属的电阻率”的实验中需要测出其长度L、直径d和电阻R.(1)用螺旋测微器测金属丝直径时读数如图甲，则金属丝的直径为________mm.甲乙(2)若用图乙测金属丝的电阻，则测量结果将比真实值________．(填“偏大”或“偏小”)[解析](1)螺旋测微器的读数为(0＋0.5＋0.01×19.7)mm＝0.697mm.(0.696mm～0.698mm)(2)题图乙中电流表采用外接法，故测量值偏小．[答案](1)0.697(0.696～0.698)(2)偏小3．利用螺旋测微器、毫米刻度尺和如图甲所示的器材(其中电流表的内阻为1Ω，电压表的内阻为5kΩ)测量一根粗细均匀的阻值约为5Ω的金属丝的电阻率．甲(1)用笔画线代替导线，将图中已连接的器材与未连接的器材连接成实物电路，要求尽量避免交叉，电流表、电压表应该选择合适的量程(已知电源的电压为6V，滑动变阻器的阻值为0～20Ω)．(2)实验时，用螺旋测微器测量金属丝的直径和用毫米刻度尺测量金属丝的长度示数如图乙所示，电流表、电压表的读数如图丙所示．由图可以读出金属丝两端的电压U＝________，流过金属丝的电流强度I＝________，金属丝的长度L＝________，金属丝的直径d＝________．乙丙(3)该金属丝的电阻率是________(保留两位有效数字)．[解析](1)连线如图所示．(2)由图可以看出：电压表的量程是3V，所以读数是2.20V；电流表的量程是0.6A，所以读数是0.44A；由于螺旋测微器的半毫米刻度线已经露出，因此读数是1.849×10－3m；米尺的读数是4