2020-2021学年高中物理-第三章-恒定电流-第三节-测量金属丝的电阻率学案-粤教版必修3.doc

2020-2021学年高中物理 第三章 恒定电流 第三节 测量金属丝的电阻率学案 粤教版必修3

2020-2021学年高中物理 第三章 恒定电流 第三节 测量金属丝的电阻率学案 粤教版必修3

年级：
姓名：

- 10 -

第三节　测量金属丝的电阻率
实验1　长度的测量及测量工具的选用
实验必备·自主学习
一、实验目的
1.了解游标卡尺和螺旋测微器的结构,知道它们各部分的用途和用法。
2.掌握游标卡尺和螺旋测微器的测量原理和读数方法。
二、实验器材、原理和读数
螺旋测微器:
(1)构造:如图所示,它的测砧A和固定刻度B固定在尺架C上,旋钮D、微调旋钮D′和可动刻度E、测微螺杆F连在一起,通过精密螺纹套在B上。

(2)原理:螺旋测微器的固定刻度B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。
(3)读数:测量时被测物体长度的整毫米数(或半毫米数)由固定刻度B读出,小数部分由可动刻度E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)
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15.0×0.01 mm=0.150 mm,最后的读数为:2.0 mm+0.150 mm=2.150 mm。

实验过程·探究学习
实验步骤
练习使用螺旋测微器测量以下物体的尺寸
(1)测量A4纸的厚度;
(2)测量头发丝的直径。

螺旋测微器需要估读吗?
提示:螺旋测微器需要估读,最后一位数字为估计数字,读数和记数时估读位为有效数字的最后一位。
实验研析·创新学习
类型一　教材原型实验
角度螺旋测微器的使用和读数
【典例1】螺旋测微器(千分尺)的可动刻度上的刻度为50等份,每一小格表示________mm,旋钮每旋转一周,测微螺杆就前进或后退__________mm。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。 

【解析】旋钮每转一周,测微螺杆就前进或后退0.5 mm,由于可动刻度等分为50等份,每一小格表示0.01 mm,螺旋测微器的固定刻度读数为5.5 mm,可动刻度读数为0.01×16.7 mm=0.167 mm,所以最终读数为:5.5 mm+0.167 mm=5.667 mm。
答案:0.01　0.5　5.667
　螺旋测微器读数
螺旋测微器读数=固定刻度部分读数(mm)+可动刻度部分读数×精确度(mm)。注意估读,以及半刻度线是否已露出。
类型二　创新型实验
【典例2】某同学利用螺旋测微器对小球的直径进行测量,螺旋测微器的结构如甲图所示。该同学在检查仪器时发现,由于该螺旋测微器的不恰当使用,使得当转动旋钮A使微测螺杆B旋至与砧台C靠紧时,此时螺旋测微器的读数应该为0.000 mm,但该仪器的状态却如图甲中所示(图中所示效果略有夸大),这说明使用该螺旋测微器进行测量时,每次读数都会产生__________mm的误差,该同学仍然使用这个螺旋测微器进行测量。在进行了正确的操作后,螺旋测微器的状态如图乙所示,则该小球的直径的正确测量值应为__________mm。 

【解析】由图甲可知误差为:0.01 mm×1.0=0.010 mm;
由图乙可知:4.5 mm+0.01 mm×21.5=4.715 mm;
小球的直径的正确测量值4.715 mm-0.010 mm=4.705 mm。
答案:0.010　4.705
实验2　金属丝电阻率的测量
实验必备·自主学习
一、实验目的
1.学会使用伏安法测量电阻。
2.会测量金属导体的电阻率。
二、实验器材
被测金属丝,直流电源(4 V),电流表(0～0.6 A),电压表(0～3 V),滑动变阻器
(50 Ω),开关,导线若干,螺旋测微器,毫米刻度尺。
三、实验原理与设计
1.实验原理:
设金属导线长度为l,导线直径为d,电阻率为ρ,则:
由R=ρ,得:ρ==。
2.实验设计:
按伏安法测电阻的电路原理图连接好实验电路。
实验过程·探究学习
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S=。
2.电路连接:按图甲或乙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.电阻测量: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位置,读出几组相应的电流表和电压表示数I和U的值,填入表格中,断开开关S,求出电阻Rx的平均值。
U

I

Rx

5.拆除实验线路,整理好实验器材。
数据收集与分析
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Rx、l、d的值代入电阻率计算式ρ=Rx=Rx。

1.怎样测量被测金属导线的有效长度?
提示: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,亦即电压表两并入点间的部分待测导线长度。测量时应将导线拉直。
2.闭合开关S之前,滑动变阻器的滑片处在什么位置?
提示: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。
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。

测量金属丝直径,是在连入电路之前还是之后?
提示:为了方便,测量直径时应在金属丝连入电路之前测量。
实验研析·创新学习
类型一　教材原型实验
角度1实验原理和实验操作
【典例1】某兴趣小组在做“测定金属丝的电阻率”的实验中,通过粗测电阻丝的电阻约为5 Ω,为了使测量结果尽量准确,从实验室找出以下供选择的器材:
A.电池组(3 V,内阻约1 Ω);
B.电流表A1(0～3 A,内阻0.012 5 Ω);
C.电流表A2(0～0.6 A,内阻0.125 Ω);
D.电压表V1(0～3 V,内阻4 kΩ);
E.电压表V2(0～15 V,内阻15 kΩ);
F.滑动变阻器R1(0～20 Ω,额定电流1 A);
G.滑动变阻器R2(0～2 000 Ω,额定电流0.3 A);
H.开关、导线若干。
(1)上述器材中,电流表应选______________,电压表应选____________,滑动变阻器应选__________(填写器材前的字母)。为使通过待测金属丝的电流能从0～0.5 A范围内改变,电路应选__________(填写甲、乙、丙、丁)。 

(2)若用L表示金属丝接入电路中的长度,d表示直径,U表示金属丝上的电压。I表示金属丝中的电流,请用以上字母写出计算金属丝电阻率的表达式ρ=
__________。 
【解析】(1)由于电源电动势为3 V,由I== A=0.5 A,可知电路中最大电流约为0.5 A,则电流表选C;电表读数要达到半偏,则电压表选D;为了操作方便,应选择和被测电阻阻值相差不大的滑动变阻器,故选F;要求电流从零变化,故选用滑动变阻器的分压接法,又>,故采用电流表的外接法,所以电路图甲符合。
(2)根据欧姆定律可得Rx=,根据电阻定律可得Rx=ρ,解得ρ=,即被测电阻的电阻率为ρ=。
答案:(1)C　D　F　甲　(2)
角度2实验数据处理
【典例2】某学生用如图甲所示电路测金属导线的电阻率,可供使用的器材有:

被测金属导线ab,电阻约为10 Ω,允许流过的最大电流为0.8 A;
稳恒电源E,电源输出电压恒为E=12 V;
电压表V,量程为3 V,内阻约5 kΩ;
保护电阻:R1=10 Ω,R2=30 Ω,R3=200 Ω;
刻度尺、螺旋测微器,开关S,导线若干等。
实验时的主要步骤如下:
①用刻度尺量出导线ab的长度l,用螺旋测微器测出导线的直径d。
②按如图甲所示电路将实验所需器材用导线连接好。
③闭合开关S,移动接线触片P,测出aP长度x,读出电压表的示数U。
④描点作出U-x图线求出金属导线的电阻率ρ。
完成下列填空:
(1)用螺旋测微器测量金属导线的直径d,其示数如图乙所示,该金属导线的直径d=__________mm。 
(2)如果实验时既要保证安全,又要测量误差较小,保护电阻R0应选__________。 
(3)根据多次实验测出的aP长度x和对应每次实验读出的电压表的示数U画出的U-x图线如图丙所示,其中图线的斜率为k,则金属导线的电阻率ρ=__________。(用实验器材中给出的物理量字母和实验步骤中测出的物理量字母表示) 
【解析】(1)根据螺旋测微器读数规则,该金属导线的直径d=0.5 mm+37.0×
0.01 mm=0.870 mm。
(2)根据题述可知电源输出电压恒为E=12 V,电压表V的量程为3 V,保护电阻R应该分压9 V。由于被测金属导线ab的电阻约为10 Ω,所以保护电阻R0应选R2=30 Ω。
(3)被测金属导线横截面积S=,aP段电阻Rx=ρ=。电压表的示数U=IRx,电流I=,又=,联立得到:U=x。U-x图线的斜率k=,解得:ρ=。
答案:(1)0.870　(2)R2　(3)
类型二　创新型实验
【典例3】利用如图甲所示的电路测量某种电阻丝材料的电阻率,所用电阻丝的电阻约为20 Ω。带有刻度尺的木板上有a和b两个接线柱,把电阻丝拉直后固定在接线柱a和b上。在电阻丝上夹上一个带有接线柱c的小金属夹,沿电阻丝移动金属夹,可改变其与电阻丝接触点P的位置,从而改变接入电路中电阻丝的长度。可供选择的器材还有:

电池组E(电动势为3.0 V,内阻约为1 Ω);
电流表A1(量程0～100 mA,内阻约为5 Ω);
电流表A2(量程0～0.6 A,内阻约为0.2 Ω);
电阻箱R(0～999.9 Ω);
开关、导线若干。

实验操作步骤如下:
A.用螺旋测微器在电阻丝上三个不同的位置分别测量电阻丝的直径;
B.将选用的实验器材,按照图甲连接实验电路;
C.调节电阻箱使其接入电路中的电阻值较大;
D.将金属夹夹在电阻丝上某位置,闭合开关,调整电阻箱的阻值,使电流表满偏,然后断开开关,记录电阻箱的电阻值R和接入电路的电阻丝长度L;
E.改变金属夹与电阻丝接触点的位置,闭合开关,调整电阻箱的阻值,使电流表再次满偏,重复多次,记录每一次电阻箱的电阻值R和接入电路的电阻丝长度L;
F.断开开关,整理好器材。
(1)某次测量电阻丝直径d时,螺旋测微器示数如图乙所示,则d=__________mm。 
(2)实验中电流表应选择__________(选填“A1”或“A2”)。 
(3)用记录的多组电阻箱的阻值R和对应的接入电路中电阻丝长度L的数据,绘出了如图丙所示的R-L关系图线。图线在R轴的截距为R0,在L轴的截距为L0,再结合测出的电阻丝直径d,则电阻丝的电阻率表达式ρ=__________(用给定的物理量符号和已知常数表示)。 
(4)本实验中,电流表的内阻对电阻率的测量结果__________影响(选填“有”或“无”)。 
【解析】(1)根据螺旋测微器读数规则可得
d=0.5 mm+0.232 mm=0.732 mm。
(2)根据题意,电路中可能出现的最大电流为I==0.15 A=150 mA,故电流表选择A1即可。
(3)由闭合电路的欧姆定律可知,E=I(R+r+RA+R电阻丝)=I(R+r+RA+ρ),联立解得R=-r-RA-·L,由已知条件可知,k=-=-,解得ρ=。
(4)由ρ=可知,本实验中电流表的内阻RA对电阻率的测量结果无影响。
答案:(1)0.732　(2)A1　(3)　(4)无
【创新评价】实验原理的创新
(1)采用等效法测变化的电阻;
(2)通过R-L图线求电阻率。