3.实验:导体电阻率的测量(教师用书)-【勤径学升】2024-2025学年高中物理必修第三册(人教版)

2024-08-15
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内容正文:

3.实验:导体电阻率的测量 学习目标 1.了解游标卡尺和螺旋测微器的测量原理,并掌握二者的使用方法和读数规则。 2.知道测导体电阻率的原理。 3.熟悉导体电阻R、导体长度l和导体横截面积S等物理量的测量。 4.通过计算得出导体的电阻率,并进行误差分析。 [对应学生用书第62页] 一、实验目的 1.掌握游标卡尺和螺旋测微器的读数方法和使用方法。 2.练习使用伏安法测电阻,并测出金属丝的电阻率。 二、实验原理 1.游标卡尺 如图是游标卡尺的结构图。游标卡尺的主要部分是主尺A和一条可以沿着主尺滑动的游标尺B。 (1)原理:利用主尺的单位刻度与游标尺的单位刻度的差值制成。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1 mm。 (2)游标卡尺的精确度 ①10分度的游标卡尺:游标尺上相邻两个刻度线间的距离为0.9 mm,比主尺上相邻两个刻度线间的距离小0.1 mm,即精确度为0.1 mm。 ②20分度的游标卡尺:游标尺上相邻两个刻线间的距离为0.95 mm,比主尺上相邻两个刻度线间的距离小0.05 mm,即精确度为0.05 mm。 ③50分度的游标卡尺:游标尺上相邻两个刻度线间的距离为0.98 mm,比主尺上相邻两个刻度线间的距离小0.02 mm,即精确度为0.02 mm。 (3)游标卡尺的读数方法 先读整数部分(主尺示数):整数部分在主尺上读得,即游标尺零刻度线在主尺的多少毫米刻度线的右边,该毫米刻度值就是应读得的以毫米为单位的整数部分L。 再读小数部分(游标尺示数):小数部分在游标尺上第n条刻度线与主尺上某一刻度线对齐处读出,即游标卡尺的精确度k与n的乘积为读数的小数部分(可记为通式kn)。 测量值为上述两部分读数之和,并按有效数字的规则记录,通用公式可写为s=L+kn。 2.螺旋测微器 如图是螺旋测微器的结构图。螺旋测微器的测砧A和固定刻度B是固定在尺架C上的;可动刻度E、旋钮D、微调旋钮D′是与测微螺杆F连在一起的,通过精密螺纹套在B上。 (1)原理:测微螺杆F与固定刻度B之间的精密螺纹的螺距为0.5 mm,即旋钮D每旋转一周,F前进或后退0.5 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0.01 mm,即螺旋测微器的精确度为0.01 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。 (2)读数:测量时被测物体长度的整毫米数由固定刻度读出,小数部分由可动刻度读出。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.金属丝电阻率的测量 由R=ρ得ρ=,因此,只要测出金属丝的长度l、横截面积S和金属丝的电阻R,即可求出金属丝的电阻率ρ。 (1)把金属丝接入电路中,用伏安法测金属丝的电阻R。电路原理如图所示。 (2)用毫米刻度尺测量金属丝的长度l,用螺旋测微器量得金属丝的直径,算出横截面积S。 (3)将测量的数据代入公式ρ=求金属丝的电阻率。 三、实验器材 小钢球、小圆管、游标卡尺、螺旋测微器、被测金属丝、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.练习使用游标卡尺测量物体的尺寸 (1)用游标卡尺的外测量爪测量小钢球、小圆管的外径、教科书的厚度等。 (2)用游标卡尺的内测量爪测量小圆管的内径、槽的宽度等。 2.练习使用螺旋测微器测量物体的尺寸 (1)测量A4纸的厚度。 (2)测量头发丝的直径。 3.测金属丝的电阻率 (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=。 (2)电路连接 按如图所示的原理电路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a端,电路经检查确认无误后,闭合开关S,改变滑动变阻器滑动片的位置,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)拆去实验线路,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R=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R、l、d的值代入电阻率计算式得ρ=R=。 六、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。 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.被测金属导线的有效长度,是指待测导线接入电路的两个端点之间的长度,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.闭合开关S之前,一定要使滑动变阻器的滑片处在使待测电阻被短路的位置。 5.在用伏安法测电阻时,通过待测导线的电流强度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。 6.求Rx的平均值时可用两种方法:第一种是用R=算出各次的测量值,再取平均值;第二种是用图像(U-I图线)来求出。若采用图像法,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。 [对应学生用书第64页] 要点一 游标卡尺和螺旋测微器的读数 [例1] 在测定某一均匀细圆柱体材料的长度和直径时:   如图甲所示,用游标卡尺测其长度为________ cm;如图乙所示,用螺旋测微器测其直径为________ mm。 [解析] 游标卡尺的固定刻度读数为10.3 cm,游标尺读数为0.05×11 mm=0.55 mm=0.055 cm,所以最终读数为10.3 cm+0.055 cm=10.355 cm。螺旋测微器的固定刻度读数为1 mm,可动刻度读数为0.01×19.6 mm=0.196 mm,所以最终读数为1 mm+0.196 mm=1.196 mm。 [答案] 10.355 1.196(1.195~1.197均可) 要点二 导体电阻率的测量 [例2] 现有一合金制成的圆柱体。为测量该合金的电阻率,现用伏安法测量圆柱体两端之间的电阻,用螺旋测微器测量该圆柱体的直径,用游标卡尺测量该圆柱体的长度。螺旋测微器和游标卡尺的示数如图甲和乙所示。 (1)由图读得圆柱体的直径为____________ mm,长度为____________ cm。 (2)若流经圆柱体的电流为I,圆柱体两端之间的电压为U,圆柱体的直径和长度分别用D、L表示,则用D、L、I、U表示的电阻率的关系式为ρ=____________。 [解析] (1)圆柱体的直径为1.5 mm+34.0×0.01 mm=1.840 mm;长度为42 mm+8×0.05 mm=42.40 mm=4.240 cm。 (2)由欧姆定律R=和电阻定律R=,联立得ρ===。 [答案] (1)1.840 4.240 (2) [对应学生用书第65页] 1.(多选)在“测定金属的电阻率”的实验中,以下操作中错误的是(  ) A.用毫米刻度尺测量金属丝的全长,且测量三次,算出其平均值,然后再将金属丝接入电路中 B.用螺旋测微器在金属丝三个不同部位各测量一次直径,算出其平均值 C.用伏安法测电阻时,采用电流表内接法,多次测量后算出平均值 D.实验中应保持金属丝的温度不变 解析 实验中应测量出金属丝接入电路中的有效长度,而不是全长;金属丝的电阻很小,与电压表内阻相差很大,使金属丝与电压表并联,电压表对它的分流作用很小,应采用电流表外接法。故A、C操作错误。 答案 AC 2.图甲为一游标卡尺的结构示意图,当测量一钢笔帽的内径时,应该用游标卡尺的____________(选填“A”“B”或“C”)进行测量;示数如图乙所示,该钢笔帽的内径为____________ mm。 解析 由游标卡尺的结构原理可知,测内径应选游标卡尺的内测量爪,故选填A;游标卡尺的主尺读数为11 mm,游标尺的读数为5×0.05 mm=0.25 mm,故钢笔帽的内径为11.25 mm。 答案 A 11.25 3.某同学用如图甲所示的螺旋测微器测小球的直径时,他应先转动____________到F靠近小球,再转动____________到F夹住小球,直至听到棘轮发出声音为止,拨动____________使F固定后读数(填仪器部件字母符号)。正确操作后,螺旋测微器的示数如图乙所示,则小球的直径是____________ mm。 解析 用螺旋测微器测小球直径时,先转动粗调旋钮D使测微器螺杆F靠近被测小球,再转动微调旋钮H使测微螺杆F夹住小球,直到棘轮发出声音为止,拨动止动旋钮G使F固定后读数,读数为6.5 mm+20.0×0.01 mm=6.700 mm。 答案 D H G 6.700 4.(1)如图甲所示的电表使用0.6 A量程时,对应刻度盘上每一个小格代表___________ A,图中表针示数为____________ A。当使用3 A量程时,对应刻度盘中每一小格代表____________ A,图中表针示数为____________A。 (2)如图乙所示的电表使用较小量程时,每小格表示____________ V,图中表针的示数为____________ V。若使用的是较大量程,则这时表盘刻度每小格表示____________ V,图中表针示数为____________ V。 解析 (1)使用0.6 A量程时,刻度盘上的每一小格为0.02 A,表针示数为0.44 A;当使用3 A量程时,每一小格为0.1 A,表针示数为2.20 A。 (2)电压表使用3 V量程时,每小格表示0.1 V,表针示数为1.70 V;使用15 V量程时,每小格表示0.5 V,表针示数为8.5 V。 答案 (1)0.02 0.44 0.1 2.20 (2)0.1 1.70 0.5 8.5 5.实验小组在实验室中测量一段金属丝(电阻约为3 Ω)的电阻率。本次实验提供的器材如下: 电流表A:量程1 mA,内阻RA=99.9 Ω; 电池组E:电动势3 V,内阻不计; 电压表V:量程0~3 V,内阻约为5 kΩ; 定值电阻 R0:阻值为0.1 Ω; 滑动变阻器R1:最大阻值10 Ω,额定电流为2 A; 滑动变阻器 R2:最大阻值1 000 Ω,额定电流为2 A; 开关一个、导线若干。 (1)小组同学某次用10分度游标卡尺测得金属丝的长度时,不小心使部分刻度被污迹遮住了,如图所示,则该次测量的读数为________cm。 (2)小组同学调节滑动变阻器滑片时,使电压表示数能够从零开始连续变化并尽可能减少误差,滑动变阻器应该选用________(选填“R1”或“R2”),根据提供的器材在方框内画出实验的电路图,并在电路图中标出所选器材的符号。 解析 (1)游标卡尺读数为49 mm-8×0.9 mm=41.8 mm=4.18 cm。(2)小组同学调节滑动变阻器滑片时,使电压表示数能够从零开始连续变化并尽可能减少误差,滑动变阻器要接成分压电路,则应该选用阻值较小的R1;因电流表A量程偏小,可用定值电阻R0与电流表并联来扩大量程,因电流表内阻已知,则可采用电流表内接电路,则电路图如答图所示。 答案 (1)4.18 (2)R1 电路图见解析图 学科网(北京)股份有限公司 $$

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