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- 2021-06-02 发布
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实验八测定金属的电阻率
◆ 注意事项
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、被测金属丝、
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被测金属丝的两端.
3.测量被测金属丝的有效长度,是指测量被测金属丝接入电路的两个端点之间的长度,亦即电压表两端点间的被测金属丝长度,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,通过被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.若采用图象法求R的平均值,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.
◆ 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.
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.
热点一实验原理与操作
[典例赏析]
[典例1](2016·全国卷Ⅱ)某同学利用图(a)所示电路测量量程为2.5 V的电压表的内阻(内阻为数千欧姆),可供选择的器材有:电阻箱R(最大阻值99 999.9 Ω),滑动变阻器R1(最大阻值50 Ω),滑动变阻器R2(最大阻值5 kΩ),直流电源E(电动势3 V),开关1个,导线若干.
实验步骤如下:
①按电路原理图(a)连接线路;
②将电阻箱阻值调节为0,将滑动变阻器的滑片移到与图(a)中最左端所对应的位置,闭合开关S;
③调节滑动变阻器,使电压表满偏;
④保持滑动变阻器滑片的位置不变,调节电阻箱阻值,使电压表的示数为2.00 V,记下电阻箱的阻值.
回答下列问题:
(1)实验中应选择滑动变阻器________(填“R1”或“R2”).
(2)根据图(a)所示电路将图(b)中实物图连线.
(3)实验步骤④中记录的电阻箱阻值为630.0 Ω,若认为调节电阻箱时滑动变阻器上的分压不变,计算可得电压表的内阻为________Ω(结果保留到个位).
(4)如果此电压表是由一个表头和电阻串联构成的,可推断该表头的满刻度电流为________(填正确答案标号).
A.100 μA B.250 μA
C.500 μA D.1 mA
[解析](1)滑动变阻器使用的是分压式接法,为了调节效果好,选择最大阻值小的滑动变阻器R1;
(2)根据电路图连接实物图,注意滑动变阻器的分压式接法,电压表与电阻箱串联,实物图如图所示;
(3)电阻箱阻值为零时,电压表示数为2.5 V,认为滑动变阻器上的分压不变,即为2.5 V,所以当电压表示数为2 V时,电阻箱上分得电压为0.5 V,根据串联电路电压比等于电阻比,故电压表的内阻为电阻箱阻值的4倍,则RV=4×630 Ω=2 520 Ω;
(4)根据欧姆定律可得Ig== A≈1 mA.
[答案](1)R1(2)见解析(3)2 520(4)D
实物图连线的技巧
1.总的原则:先串后并,接线到柱,注意量程和正负.
2.对限流电路,只需用笔画线当作导线,从电源正极开始,把电源、开关、滑动变阻器、“伏安法”部分依次串联起来即可,注意电表的正、负接线柱和量程,滑动变阻器应调到阻值最大处.
3.对分压电路,应该先把电源、开关和滑动变阻器的全部电阻丝三部分用导线连接起
来,然后在滑动变阻器电阻丝两端之中任选一个接头,比较该接头和滑动头的电势高低,根据“伏安法”部分电表正负接线柱的情况,将“伏安法”部分接入该两点间.注意滑动变阻器应调到使“伏安法”部分所接两点间阻值最小处.
[题组巩固]
1.实验室购买了一捆标称长度为100 m的铜导线,某同学想通过实验测定其实际长度.该同学首先测得导线横截面积为1.0 mm2,查得铜的电阻率为1.7×10-8 Ω·m,再利用图甲所示电路测出铜导线的电阻Rx,从而确定导线的实际长度.
可供使用的器材有:
电流表:量程0.6 A,内阻约0.2 Ω;
电压表:量程3 V,内阻约9 kΩ;
滑动变阻器R1:最大阻值5 Ω;
滑动变阻器R2:最大阻值20 Ω;
定值电阻:R0=3 Ω;
电源:电动势6 V,内阻可不计;
开关、导线若干.
回答下列问题:
(1)实验中滑动变阻器应选________(填“R1”或“R2”),闭合开关S前应将滑片移至________端(填“a”或“b”).
(2)在实物图中,已正确连接了部分导线,请根据图甲电路完成剩余部分的连接.
(3)调节滑动变阻器,当电流表的读数为0.50 A时,电压表示数如图乙所示,读数为________V.
(4)导线实际长度为________m(保留两位有效数字).
解析:(1)由(3)中电流表的读数为0.50 A时,电压表的读数为2.30 V可知,Rx和R0的总阻值约为4.60欧姆,若选用滑动变阻器R1,电源电压为6 V,电流表的量程只有
0.6 A,会把电流表烧坏,故滑动变阻器应该选R2.闭合开关前应将滑片移至a端保证连入电阻最大.
(2)如图所示.
(3)由于电压表量程0~3 V,分度值为0.1 V,故读数为2.30 V.
(4)Rx的阻值约为1.60 Ω,由Rx=ρ可知,l== m≈94 m.
答案:(1)R2a(2)图见解析(3)2.30(2.29~2.31均正确)(4)94(93~95均正确)
2.电学实验中经常需要测量电阻的阻值.
(1)测电阻的方法有很多种,现在有一只标“220 V40 W”的灯泡,它正常工作时的电阻为________ Ω.若用多用电表欧姆挡来测量这只灯泡的电阻,则测出的电阻值就________(选填“大于”“等于”或“小于”)灯泡正常工作时的电阻值.
(2)用下列器材设计一个实验,测量该灯泡正常工作时的电阻值.
A.220 V交流电源
B.单刀双掷开关一只
C.电阻箱一只(0~999.9 Ω,额定电流0.5 A)
D.固定电阻一只(0.5 kΩ,额定电流0.3 A)
E.交流电流表一只(0~0.3 A)
请在方框内画出电路原理图.
解析:(1)正常工作时电压为额定电压,故有P=,所以R==1 210 Ω;灯泡在正常工作时发热,灯丝电阻率增大,电阻增大,因而用欧姆挡测量时阻值应小于正常工作时的电阻值.
(2)应用替代法.因电阻箱的最大阻值小于灯泡正常工作时的电阻值,故应串联一固定电阻,电路原理图如图.
答案:(1)1 210小于(2)图见解析
热点二数据处理及误差分析
[典例赏析]
[典例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50 cm.
(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3 V,内阻约1 Ω)、电流表(内阻约0.1 Ω)、电压表(内阻约3 kΩ)、滑动变阻器R(0~20 Ω,额定电流2 A)、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
1
2
3
4
5
6
7
U/V
0.10
0.30
0.70
1.00
1.50
1.70
2.30
I/A
0.020
0.060
0.160
0.220
0.340
0.460
0.520
由以上实验数据可知,他们测量Rx是采用图中的________图(填“甲”或“乙”).
(3)如图是测量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的电阻率约为________(填选项前的符号).
A.1×10-2 Ω·m B.1×10-3 Ω·m
C.1×10-6 Ω·m D.1×10-8 Ω·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________.
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.由电流表和电压表的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图象处理数据求金属丝电阻可以减小偶然误差
[解析](1)螺旋测微器的读数为:0 mm+39.7×0.01 mm=0.397 mm(0.395~0.399 mm之间均正确).
(2)实验测量数据中电压表示数从0.10 V开始,非常小,应考虑使用滑动变阻器分压式接法,故采用的是图甲的电路设计方案.
(3)连图时注意滑动变阻器的分压式接法,注意电流表和电压表的正负极.如图甲.
(4)将第2、4、6次测量数据的坐标点标出来后,画出一条直线,舍去第6次实验数据点,让直线过坐标原点,计算出图线斜率为4.5(4.3~4.7之间均正确),即为金属丝的阻值.如图乙.
(5)根据电阻定律Rx=ρ=ρ,代入数据计算得到电阻率ρ≈1×10-6 Ω·m,C对.
(6)由于读数引起的误差属于偶然误差,A错;电流表和电压表的内阻引起的误差属于系统误差,B错;由于该实验原理未考虑电表内阻造成的误差,因此将电流表和电压表的内阻计算在内,可以消除由于测量仪表引起的系统误差,C对;通过U-I图象处理数据时已经直观地舍去了第6次实验数据,且多次测量后画直线的目的就是取平均值,因此用U-I图象处理数据更好地减小了偶然误差,D对.
[答案](1)0.397(0.395~0.399均可)(2)甲(3)见解析图甲(4)见解析图乙4.5(4.3~4.7均可)(5)C(6)CD
1.作图象时,应使大多数的点在直线或平滑的曲线上,不在线上的点尽量均匀分布在直线的两侧,误差较大的点舍去不用.
2.偶然误差与系统误差的关系
(1)偶然误差:由于各种偶然因素对实验者、测量仪器、被测物理量的影响而产生的.通过多次测量求平均值或采用图象法处理数据可减小偶然误差.
(2)系统误差:由于仪器本身不精密,实验方法粗略或实验原理不完善而产生的.通过校准仪器或改进实验方法和实验设计原理可减小误差.
[题组巩固]
3.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,读数前应先旋紧如图甲所示的部件________(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”) .
(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2.23 V和38 mA,由此,该同学算出接入电路部分的合金丝的阻值为 58.7 Ω.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:
①________________________________________________________________________;
②________________________________________________________________________.
解析:(1)螺旋测微器读数时应先将锁紧装置锁紧,即旋紧B.螺旋测微器的示数为(0+41.0×0.01)mm=0.410 mm.
(2)电压表的示数不为零,电流表的示数几乎为零,说明连接两电表的电路是导通的.而滑动变阻器几乎不起作用,说明线路电阻很大,故可判断7、8、9间断路.
(3)由题意知≈0.005<≈0.02,说明电流表的分压作用不显著,故可将电流表改为内接,并测出多组U、I值,求出Rx后,再取平均值作为实验结果.
答案:(1)B0.410(2)7、8、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,用图象法求电阻值)
4.某同学为了测量电流表A1内阻的精确值,提供如下器材:
电流表A1(量程300 mA,内阻约为5 Ω);
电流表A2(量程600 mA,内阻约为1 Ω);
电压表V(量程15 V,内阻约为3 kΩ);
滑动变阻器R1(0~10 Ω,额定电流为1 A);
滑动变阻器R2(0~250 Ω,额定电流为0.01 A);
电源E(电动势3 V,内阻较小);
定值定阻R0(5 Ω);
导线、开关若干.
(1)要求待测电流表A1的示数从零开始变化,且多测几组数据,尽可能减小误差.以上给定的器材中滑动变阻器应选________.请在下面的虚线框内画出测量用的电路原理图,并在图中标出所选仪器的代号.
(2)若选测量数据中的一组来计算电流表A1的内阻r1,则r1的表达式为r1=________.
(3)上式中各符号的物理意义是_______________________________________________.
解析:(1)要求待测电流表A1的示数从零开始变化,且多测几组数据,应该设计成分压电路,滑动变阻器应选阻值为0~10 Ω的R1.电路原理图如图所示.
(2)由I1r1=(I2-I1)R0可得电流表A1的内阻r1的表达式为r1=R0.
(3)r1=R0中I2、I1分别为某次实验时电流表A2、A1的示数,R0是定值电阻的阻值.
答案:(1)R1电路原理图见解析(2)R0
(3)I2、I1分别为某次实验时电流表A2、A1的示数,R0是定值电阻的阻值
热点三拓展创新实验
[核心提炼]
对本实验,除常规的伏安法测电阻外,还可对实验方案进行改进,提出下面几种测量方法:
1.安安法
若电流表内阻已知,则可将其当做电流表、电压表以及定值电阻来使用.
(1)如图甲所示,当两电表所能测得的最大电压接近时,如果已知A1的内阻R1,则可测得A2的内阻R2=.
(2)如图乙所示,当两电表的满偏电压UA2≫UA1时,A1串联一定值电阻R0后,同样可测得A2的电阻R2=.
2.伏伏法
若电压表内阻已知,则可将其当做电流表、电压表和定值电阻来使用.
(1)如图甲所示,两电表的满偏电流接近时,若已知V1的内阻R1,则可测出V2的内阻R2=R1.
(2)如图乙所示,两电表的满偏电流IV1≪IV2时,V1并联一定值电阻R0后,同样可得V2的内阻R2=.
3.半偏法测电流表内阻
电路图如图所示
步骤:(1)断开S2,闭合S1,调节R0,使A表满偏为I0.
(2)保持R0不变,闭合S2,调节R,使A表读数为.
(3)由上可得RA=R.
4.等效替代法
如图所示,先让待测电阻与一电流表串联后接到电动势恒定的电源上,读出电流表示数I;然后将电阻箱与电流表串联后接到同一电源上,调节电阻箱的阻值,使电流表的读数仍为I,则电阻箱的读数即等于待测电阻的阻值.
[典例赏析]
[典例3](2018·全国卷Ⅲ)一课外实验小组用如图(a)所示的电路测量某待测电阻Rx的阻值,图中R0为标准定值电阻(R0=20.0 Ω);V可视为理想电压表;S1
为单刀单掷开关,S2为单刀双掷开关;E为电源;R为滑动变阻器.采用如下步骤完成实验.
(1)按照实验原理线路图(a),将图(b)中实物连线;
(2)将滑动变阻器滑动端置于适当的位置,闭合S1;
(3)将开关S2掷于1端,改变滑动变阻器滑动端的位置,记下此时电压表V的示数U1;然后将S2掷于2端,记下此时电压表V的示数U2;
(4)待测电阻阻值的表达式Rx=________(用R0、U1、U2表示);
(5)重复步骤(3),得到如下数据:
1
2
3
4
5
U1/V
0.25
0.30
0.36
0.40
0.44
U2/V
0.86
1.03
1.22
1.36
1.49
3.44
3.43
3.39
3.40
3.39
(6)利用上述5次测量所得的平均值,求得Rx=________Ω.(保留一位小数)
[解析](1)根据原理图进行实物连线,注意滑动变阻器的接法,如图所示.
(4)I=,Ux=U2-U1,Rx=
联立得:Rx==R0
(6)的平均值为=3.41
Rx=R0=(3.41-1)×20.0 Ω=48.2 Ω.
[答案](1)图见解析(4)R0(6)48.2
[题组巩固]
5.(2019·长沙模拟)现要测量电流表G1的内阻,给出下列器材:
电流表G1(量程5 mA,内阻r1约为150 Ω左右);
电流表G2(量程10 mA,内阻r2约为100 Ω左右);
定值电阻R1=100 Ω;定值电阻R2=10 Ω;
滑动变阻器R3(0~200 Ω);干电池E(1.5 V,内阻未知);
单刀单掷开关S;导线若干.
(1)定值电阻选____________;
(2)在虚线框中已画出部分实验电路设计图,请补充完整,并标明所用器材的代号;
(3)若选测量数据中的一组计算r1,所用的表达式r1=__________,式中各符号的意义是:________________________________________________________________________.
解析:(1)若选R2,则其阻值太小,电流过大,而R1与G1内阻相当,故选R1.
(2)电路图如图所示:G2的示数与G1的示数之差为通过R1的电流值.
(3)由串、并联电路特点:I1r1=R1(I2-I1),得r1=R1,I1、I2分别表示电流表G1、G2的示数,R1表示定值电阻R1的阻值.
答案:(1)R1(2)图见解析
(3)R1I1、I2分别表示电流表G1、G2的示数,R1表示定值电阻R1的阻值
6.(2017·全国卷Ⅱ)某同学利用如图(a)所示的电路测量一微安表(量程为100 μA,内阻大约为2 500 Ω)的内阻.可使用的器材有:两个滑动变阻器R1、R2(其中一个阻值为20 Ω,另一个阻值为2 000 Ω);电阻箱Rz(最大阻值为99 999.9 Ω);电源E(电动势约为1.5 V);单刀开关S1和S2,C、D分别为两个滑动变阻器的滑片.
(1)按原理图(a)将图(b)中的实物连线.
(2)完成下列填空:
①R1的阻值为________Ω(填“20”或“2 000”).
②为了保护微安表,开始时将R1的滑片C滑到接近图(a)中的滑动变阻器的________端(填“左”或“右”)对应的位置;将R2的滑片D置于中间位置附近.
③将电阻箱Rz的阻值置于2 500.0 Ω,接通S1.将R1的滑片置于适当位置,再反复调节R2的滑片D的位置.最终使得接通S2前后,微安表的示数保持不变,这说明S2接通前B与D所在位置的电势________(填“相等”或“不相等”).
④将电阻箱Rz和微安表位置对调,其他条件保持不变,发现将Rz的阻值置于2 601.0 Ω时,在接通S2前后,微安表的示数也保持不变.待测微安表的内阻为________Ω(结果保留到个位).
(3)写出一条提高测量微安表内阻精度的建议:________________________________.
解析:(1)实物连线如图:
(2)①滑动变阻器R1要接成分压电路,则要选择阻值较小的20 Ω的滑动变阻器;
②为了保护微安表,开始时将R1的滑片C滑到接近图(a)中滑动变阻器的左端对应的位置;
③将电阻箱Rz的阻值置于2 500.0 Ω,接通S1;将R1的滑片置于适当位置,再反复调节R2的滑片D的位置;最终使得接通S2前后微安表的示数保持不变,这说明S2
接通前后在BD中无电流流过,可知B与D所在位置的电势相等;
④设滑片D两端电阻分别为Rz1和Rz2,因B与D所在位置的电势相等,可知=;同理当Rz和微安表对调时,仍有:=;联立两式解得:
RA== Ω=2 550 Ω
(3)为了提高测量精度,调节R1上的分压,尽可能使微安表接近满量程.
答案:(1)连线见解析
(2)①20②左③相等④2 550
(3)调节R1上的分压,尽可能使微安表接近满量程
7.(2019·福建南安模拟)为测定一个待测电阻Rx的阻值(阻值约为200 Ω),实验室提供如下器材:
电池组E:电动势3 V,内阻不计
电流表A1:量程0~15 mA,内阻约为100 Ω
电流表A2:量程0~300 μA,内阻1 000 Ω
滑动变阻器R1:阻值范围0~20 Ω,额定电流2 A
电阻箱R2:阻值范围0~9 999 Ω,额定电流1 A
开关S、导线若干
要求实验中尽可能准确地测量Rx的阻值,请回答下面问题:
(1)为了测量待测电阻两端的电压,可以将电流表______(填写器材代号)与电阻箱串联,并将电阻箱阻值调到________ Ω,这样可以改装成—个量程为3.0 V的电压表;
(2)在方框中画出完整测量Rx阻值的电路图,并在图中标明器材代号;
(3)调节滑动变阻器R1,两表的示数如图所示,可读出电流表A1的示数是________mA,电流表A2的示数是________μA,测得待测电阻Rx的阻值是________.本次测量存在一定的系统误差,考虑这个原因,测量值较真实值________(选填“偏大”或“偏小”).
解析:(1)题目中未给出电压表,把A2和R2串联起来充当电压表,此电压表量程为3 V,
R=-1 000 Ω=9 000 Ω.
(2)电路图如图所示.
(3)由图示可知,电流表A1的示数为8.0 mA,电流表A2的示数是150 μA,电流表A2的电压读数为1.5 V,待测电阻阻值为Rx===187.5 Ω.测量的电流值偏大,因此测量的电阻偏小.
答案:(1)A29 000(2)图见解析
(3)8.0150187.5 Ω偏小