人教版高中物理一轮复习课件：实验5 探究决定导线电阻的因素 57页

实验五 探究决定导线电阻的因素 1.掌握螺旋测微器的原理及读数方法 2.掌握电流表、电压表和滑动变阻器的使用方法及电流表和电 压表的读数方法 3.会用伏安法测电阻，并能测定金属的电阻率 1.螺旋测微器 (1)构造 如图,S为固定刻度，H为可动刻度. (2)原理 可动刻度H上的刻度为50等份，则螺旋测微器的精确度为0.01 mm. (3)读数 ①测量时被测物体长度的半毫米数由固定刻度读出，不足半毫 米部分由可动刻度读出. 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)×0.01(mm) ③如图所示，固定刻度示数为2.0 mm， 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： 2.0 mm+15.0×0.01 mm=2.150 mm. 2.伏安法测电阻 (1)电流表的内接法和外接法的比较. 内 接 法 外 接 法 电 路 图 误差原因 电流表分压 U测=Ux+UA 电压表分流 I测=Ix+IV 电阻测量值 =Rx+RA>Rx 测量值大于真实值 测量值小于真实值 U R I  测 测 测 U R I  测 测 测 = x V x x V R R R R R   内 接 法 外 接 法 (2)两种电路的选择. ①阻值比较法：先将待测电阻的估计值与电压表、电流表内阻 进行比较，若Rx较小，宜采用电流表外接法；若Rx较大，宜采 用电流表内接法.简单概括为“大内偏大，小外偏小”. ②比值法. 当 时,用电流表外接法; 当 时,用电流表内接法. x A V x R R R R ＜ x A V x R R R R ＞ ③实验试探法：按如图所示接好电路，让电压表一根接线柱P先 后与a、b处接触一下，如果电压表的示数有较大的变化，而电 流表的示数变化不大，则可采用电流表外接法；如果电流表的 示数有较大的变化，而电压表的示数变化不大，则可采用电流 表内接法. 3.电阻率的测定原理 把金属丝接入如图所示的电路中，用电压表测金属丝两端的电 压，用电流表测金属丝中的电流，根据 计算金属丝的电 阻Rx，然后用毫米刻度尺测量金属丝的有效长度l，用螺旋测微 器测量金属丝的直径d，计算出金属丝的横截面积S；根据电阻 定律 ，得出计算金属丝电阻率的公式 x UR I  xR S   l 2 xR S d U . 4 I     l l 毫米刻度尺，螺旋测微器，直流电流表和直流电压表，滑动变 阻器(阻值范围0～50 Ω)、电池组、开关、被测金属丝、导线 若干. 一、实验步骤 1.直径测定：用螺旋测微器在被测金属丝上的三个不同位置各 测一次直径， 求出其平均值d，计算出金属丝的横截面积 2dS 4   2.电路连接：按如图所示的电路原理图连接好用伏安法测电阻 的实验电路 3.长度测量：用毫米刻度尺测量接入电路中的被测金属丝的有 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 U I Rx 5.拆除实验线路，整理好实验器材 二、数据处理 1.在求Rx的平均值时可用两种方法 (1)用 分别算出各次的数值，再取平均值. (2)用U-I图线的斜率求出. 2.计算电阻率：将记录的数据U、I、l、d的值代入电阻率计算 式 x UR I  2d U 4 I    l 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均会带来偶然 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 1.本实验中被测金属丝的电阻值较小，因此实验电路一般采用 电流表外接法 2.实验连线时，应先从电源的正极出发，依次将电源、开关、 电流表、待测金属丝、滑动变阻器连成主干线路(闭合电路)， 然后再把电压表并联在待测金属丝的两端 3.测量被测金属丝的有效长度，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金属丝长 度，测量时应将金属丝拉直,反复测量三次，求其平均值 4.测金属丝直径一定要选三个不同部位进行测量，求其平均值 5.闭合开关S之前，一定要使滑动变阻器的滑片处在有效电阻值 最大的位置 6.在用伏安法测电阻时，通过待测金属丝的电流强度I不宜过大 (电流表用0～0.6 A量程)，通电时间不宜过长，以免金属丝的 温度明显升高，造成其电阻率在实验过程中逐渐增大 7.若采用图象法确定Rx，在描点时，要尽量使各点间的距离拉 大一些，连线时要尽可能地让各点均匀分布在直线的两侧，个 别明显偏离较远的点可以不予考虑 替代法测电阻 1.实验器材 待测电阻、电阻箱、电流表、单刀双掷开关、电池、导线若干 2.实验原理 用电阻箱替代待测电阻，按如图连接好电路，调节电阻箱，使 两次电流相等，则电阻箱的阻值就等于待测电阻的阻值 3.误差分析 这样测出的阻值与电表的阻值无关，而取决于两次电流表的读 数的准确性，避免了因电表的内阻产生的系统误差，操作步骤 也很简捷 仪器的选择和电路的设计 【例证1】(2011·天津高考)某同学测量阻值约为25 kΩ的电阻 Rx，现备有下列器材： A.电流表(量程100 μA，内阻约2 kΩ)； B.电流表(量程500 μA，内阻约300 Ω)； C.电压表(量程15 V，内阻约100 kΩ)； D.电压表(量程50 V，内阻约500 kΩ)； E.直流电源(20 V，允许最大电流1 A)； F.滑动变阻器(最大阻值1 kΩ，额定功率1 W)； G.电键和导线若干. 电流表应选_____，电压表应选_____.(填字母代号) 该同学正确选择仪器后连接了以下电路，为保证实验顺利进 行，并使测量误差尽量减小，实验前请你检查该电路，指出电 路在接线上存在的问题： (1)_________________________________________________； (2)_________________________________________________. 【规范解答】直流电源的电压为20 V，为了提高读数准确度应 该选择电压表C，因此待测电阻两端电压不得超过15 V，则通过 的电流不超过 电流表应该选B.为了减小 误差电流表应采用内接法，因为滑动变阻器的阻值远小于待测 电阻的阻值，若串联，限流效果不明显，应该采用分压接法接 入电路. x U 15 VI 600 A R 25 k      ， 答案：B C (1)电流表应采用内接法 (2)滑动变阻器应采用分压式接法 用表格和图象分析实验数据 【例证2】(2011·浙江高考)在“探究导 体电阻与其影响因素的定量关系”实验 中，为了探究3根材料未知，横截面积均 为S=0.20 mm2的金属丝a、b、c的电阻率，采用如图所示的实验 电路，M为金属丝c的左端点，O为金属丝a的右端点，P是金属丝 上可移动的接触点.在实验过程中，电流表读数始终为I=1.25 A, 电压表读数U随OP间距离x的变化如表： (1)绘出电压表读数U随OP间距离x的变化图线； (2)求出金属丝的电阻率ρ，并进行比较. 【规范解答】(1)建立U-x坐标系，进行描点、连线,得到图线如 图所示： (2)根据欧姆定律R= ，又根据电阻定律R= ， 所以ρ= 由(1)中图线可知： 从600 mm到1 000 mm为金属丝a， Ua=(6.5-3.9) V=2.6 V ρa= =1.04×10-6 Ω·m U I S  l US Il   6 3 2.6 0.20 10 m 1.25 1 000 600 10          从1 000 mm到2 000 mm为金属丝b， Ub=(7.1-6.5) V=0.6 V ρb= =9.6×10-8 Ω·m 6 3 0.6 0.20 10 m 1.25 (2 000 1 000) 10          从2 000 mm到2 400 mm为金属丝c， Uc=(9.7-7.1) V=2.6 V ρc= =1.04×10-6 Ω·m 通过计算可知，金属丝a和c电阻率相同，远大于金属丝b的电阻 率. 6 3 2.6 0.20 10 m 1.25 (2 400 2 000) 10          答案：(1)见规范解答 (2)ρa=1.04×10-6 Ω·m(0.96×10-6～1.10×10-6 Ω·m) ρb=9.6×10-8 Ω·m(8.5×10-8～1.10×10-7 Ω·m) ρc=1.04×10-6 Ω·m(0.96×10-6～1.10×10-6 Ω·m) 金属丝a与c电阻率相同，远大于金属丝b的电阻率. 1.(2012·泰州模拟)在“探究决定导线电阻的因素”的实验 中，由ρ= 可知，对实验结果的准确性影响最大的是( ) A.金属丝直径d的测量 B.电压U的测量 C.电流I的测量 D.金属丝长度l的测量 【解析】选A.四个选项中的四个物理量对金属丝的电阻率均有 影响，但影响最大的是直径d，因为在计算式中取直径的平方. 2d U 4I  l 2.在探究决定导线电阻的因素实验中， 用螺旋测微器测量金属丝的直径，示 数如图所示，读数为______mm. 【解析】固定刻度部分读数为0.5 mm，可动刻度部分读数为 11.7×0.01 mm=0.117 mm,则螺旋测微器的读数为0.5 mm+ 0.117 mm=0.617 mm(0.616～0.619 mm都对). 答案：0.617(0.616～0.619) 3.(2012·镇江模拟)某一阻值不变的纯电阻元件(阻值Rx在50～ 100 Ω之间),额定功率为0.25 W,要用伏安法较准确地测量它的 阻值,实验器材有: 电流表A1:量程为100 mA,内阻约为5 Ω; 电流表A2:量程为1 A,内阻约为5 Ω; 电压表V1;量程为6 V,内阻约为10 kΩ; 电压表V2:量程为30 V,内阻约为50 kΩ; 滑动变阻器R:0～10 Ω,2 A; 电源(E=9 V),开关,导线若干. (1)实验中应选用的电流表为_____,电压表为_____;(填入器材 符号) (2)在虚线框内画出实验电路图; (3)测出的电阻值与真实值相比_____(填“偏大”、“偏小”或 “相等”). 【解析】(1)由P=I2Rx可得：I= ，可求得Rx的最大可能电流 为70.7 mA，故电流表选用A1，由P= 得：U= ，可求得Rx 的最大可能电压为U=5 V，故电压表选用V1. x P R 2 x U R xPR (2)因 ,故应采用电流表 外接法，因滑动变阻器R的最大阻 值R比Rx小得多，故滑动变阻器应 采用分压式连接. V x x A R R R R ＞ (3)由于电压表的分流作用，电流表A1的示数比通过电阻Rx的电 流大,由Rx= 可知,测量出的电阻值比真实值偏小. 答案:(1)A1 V1 (2)见解析 (3)偏小 U I 4.(2011·新课标全国卷)为了测量 一微安表头A的内阻，某同学设计 了如图所示的电路.图中，A0是标 准电流表，R0和RN分别是滑动变阻 器和电阻箱，S和S1分别是单刀双掷开关和单刀开关，E是电池. 完成下列实验步骤中的填空： (1)将S拨向接点1，接通S1，调节_____,使待测表头指针偏转到 适当位置，记下此时_____的读数I； (2)然后将S拨向接点2，调节______,使________,记下此时RN的 读数； (3)多次重复上述过程，计算RN读数的_____,此即为待测微安表 头内阻的测量值. 【解析】(1)将S拨向接点1，接通S1，通过调节滑动变阻器R0， 使待测表头指针偏转到适当位置，记下此时A0(或标准电流表) 的读数I； (2)然后将S拨向接点2，保持R0不变，调节变阻箱RN，使A0(或标 准电流表)的读数仍为I，记下此时RN的读数.在实验期间，用RN 代替了A表，而标准电流表A0的读数不变，故此RN的读数就是待 测表A的内阻； (3)为提高精确度，实验时要多次重复上述过程，计算RN读数的 平均值，此即为待测微安表头内阻的测量值. 答案：(1)R0 A0(或标准电流表) (2)RN A0(或标准电流 表)的读数仍为I (3)平均值 5.某同学想要了解导线在质量相同时， 电阻与截面积的关系，选取了材料相 同、质量相等的5卷导线，进行了如下 实验： (1)用螺旋测微器测量某一导线的直径 如图所示. 读得直径d=________mm. (2)该同学经实验测量及相关计算得到如下数据： 电阻R(Ω) 121.0 50.0 23.9 10.0 3.1 导线直径d(mm) 0.801 0.999 1.201 1.494 1.998 导线截面积 S(mm2) 0.504 0.784 1.133 1.753 3.135 请你根据以上数据判断，该种导线的电阻R与截面积S是否满足 反比关系？ 若满足反比关系，请说明理由；若不满足，请写出R与S应满足 的关系_______________________________________________. (3)若导线的电阻率ρ=5.1×10-7 Ω·m,则表中阻值为3.1 Ω 的导线长度l=______m(结果保留两位有效数字). 【解析】(1)螺旋测微器读数要严格按步骤读取,读数为 (1+20.0×0.01) mm=1.200 mm. (2)由数据可得：R与S不成反比，R与S2成反比(或RS2=恒量). (3)根据电阻定律公式R= ,所以 l= 答案：(1)1.200 (2)不满足，R与S2成反比(或RS2=恒量) (3)19 S  l 6 7 RS 3.1 3.135 10 m 19 m. 5.1 10         器材名称 器材代号 器材规格 电流表 电流表 电压表 定值电阻 滑动变阻器 滑动变阻器 电源 A1 A2 V R0 R1 R2 E 量程300 mA,内阻约为5 Ω 量程600 mA,内阻约为1 Ω 量程15 V，内阻约为3 kΩ 5 Ω 0～10 Ω，额定电流为1 A 0～250 Ω，额定电流为0.3 A 电动势为3 V,内阻较小 导线、电键 若干 6.(2012·扬州模拟)某同学为了测电流表A1的内阻r1的精确 值，有如下器材： (1)要求电流表A1的示数从零开始变化,且能多测几组数据,尽可 能减小误差.在如图虚线框中画出测量用的电路图,并在图中标 出所用器材的代号. (2)若选测量数据中的一组来计算电流表A1的内阻r1,则所测电 流表A1的内阻r1的表达式为r1=__________________________; 式中各符号的意义是__________________. 【解析】(1)电流表A1的最大电压UA1=IA1r1=1.5 V,比电压表V的 量程小得多,因此不可用电压表V测量A1两端的电压,可以借助定 值电阻R0进行测量,又因要求电流表A1的示数从零开始变化,故 滑动变阻器应选用R1,且采用分压式连接.电路图如图 (2)r1的表达式: ,式中各符号的意义是:I2、I1分别为 某次实验时电流表A2、A1的示数,R0是定值电阻的电阻大小. 答案:见解析 2 1 1 0 1 I Ir R I  