2023新教材高考物理一轮第十章电路电能实验十四测定金属丝的电阻率课件

实验十四　测定金属丝的电阻率\n必备知识·自主排查关键能力·分层突破\n必备知识·自主排查\n一、实验思路与操作电路图与思路或思路：测出电阻丝的电阻R、长度l和直径d，就可以计算出该电阻丝所用材料的电阻率．\n操作要领1.电路连接：按实验电路图连接实物电路．2．物理量的测量(1)电阻的测量：改变滑动变阻器滑片的位置，读取多组电压、电流值，通过UI图像求得电阻Rx.(2)电阻丝有效长度的测量：电阻丝长度的测量工具应选用刻度尺，反复测量多次，得到有效长度的平均值．(3)电阻丝直径的测量：选择游标卡尺或螺旋测微器．3．求电阻Rx＝4．求电阻率ρ＝\n二、数据处理与分析1．求Rx的平均值方法一：用Rx＝算出各次的数值，再取平均值．方法二：用UI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公式ρ＝Rx＝.\n注意事项(1)游标卡尺的读数：若用x表示由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线对齐的游标格数，则记录结果表达为(x＋K×精确度)mm.(2)螺旋测微器的读数：方法：固定刻度数mm＋可动刻度数(估读一位)×0.01mm.(3)先测直径，再连电路：为了方便，测量直径时应在金属丝连入电路之前测量．(4)电流表外接法：本实验中被测金属丝的阻值较小，故采用电流表外接法．(5)电流控制：电流不宜过大，通电时间不宜过长，以免金属丝温度过高，导致电阻率在实验过程中变大．\n误差分析(1)测量金属丝直径、长度以及电流、电压带来误差．(2)电路中电流表及电压表对电阻测量的影响，因为电流表外接，所以Rx测<Rx真，由Rx＝ρ，知ρ测<ρ真．(3)通电电流过大，时间过长，致使电阻丝发热，电阻率随之变化带来误差．\n关键能力·分层突破\n考点一　教材原型实验角度1电流表、电压表及电阻箱的读数电流表、电压表的读数方法量程精确度读数规则电流表0～3A0.1A与刻度尺一样，采用估读，读数规则较简单，只需在精确值后加一估读数即可电压表0～3V0.1V电流表0～0.6A0.02A估读位与最小刻度在同一位，采用估读电压表0～15V0.5V估读位与最小刻度在同一位，采用估读\n【跟进训练】1.(1)图甲使用0.6A量程时，对应刻度盘上每一小格代表________A，图中表针示数是______A；当使用3A量程时，对应刻度盘上每一小格代表______A，图中表针示数为______A．(2)图乙使用较小量程时，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．0.020.440.12.200.11.700.58.5\n解析：(1)使用0.6A量程时，刻度盘上的每小格为0.02A，表针示数为0.44A；当使用3A量程时，每小格为0.1A，表针示数为2.20A.(2)电压表使用3V量程时，每小格表示0.1V，表针示数为1.70V；使用15V量程时，每小格为0.5V，表针示数为8.5V．\n2．(1)有一金属材料制成的圆柱形物体，当用游标卡尺来测它的截面直径d时，示数如图甲所示，则d＝________mm.然后利用伏安法测量该物体的电阻，此时电压表和电流表的示数如图乙、丙所示，则金属物体两端的电压为U＝________V，流过该物体的电流为I＝________A．30.502.250.42解析：游标卡尺主尺上读的毫米数为30mm，游标尺上第10条刻度线与主尺某刻度线对齐，由于游标尺是20分度的，所以读数为30mm＋0.05×10mm＝30.50mm.电压表选用0～3V量程，分度为0.1V，所以读数为2.25V；电流表选用0～0.6A量程，分度为0.02A，所以读数为0.42A.\n(2)在测定一根粗细均匀合金丝电阻率的实验中，利用螺旋测微器测定合金丝直径的过程如图丁所示，校零时的读数为________________mm，合金丝的直径为____________________mm.0.007(0.005～0.008都对)0.638(0.636～0.640都对)解析：校零时的读数为0＋0.7×0.01mm＝0.007mm.合金丝的直径为0.645mm－0.007mm＝0.638mm(在0.637mm～0.640mm都算对)．\n角度2仪器的选择和电路的设计1.电流表内外接法的选择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R测＝＝Rx＋RA>Rx测量值大于真实值R测＝＝<Rx测量值小于真实值适用条件RA≪RxRV≫Rx适用于测量大阻值电阻小阻值电阻\n2.滑动变阻器的两种连接方式\n【跟进训练】3.在“测定金属丝的电阻率”实验中：(1)用螺旋测微器测量金属丝的直径D，示数如图甲所示，D＝___________________mm.2.706(2.704～2.708均可)解析：根据螺旋测微器的读数规则，金属丝的直径D＝2.5mm＋0.206mm＝2.706mm.\n(2)某小组利用电流表(内阻约0.1Ω)、电压表(内阻约3kΩ)等器材测金属丝电阻，要求电压和电流均从0开始测量，得到多组电流、电压数据，求出金属丝的电阻Rx＝50Ω.他们采用的是图乙中的________电路图，Rx的真实值________(填“大于”“小于”或“等于”)50Ω.A小于\n解析：根据题述，要求电压和电流均从0开始测量，得到多组电流、电压数据，则滑动变阻器应该为分压接法，由于Rx>，所以应采用电流表内接法测量，他们采用的是A电路图．由于电流表有分压作用，故电压表的示数大于电阻Rx两端的实际电压，则Rx的真实值小于测量值50Ω.\n角度3测定金属丝的电阻率例1为测量一根金属丝(电阻约5Ω)的电阻率ρ，选用的电学器材有：电压表(量程0～3V，内阻约3kΩ)，电流表(量程0～0.6A，内阻约0.2Ω)，滑动变阻器(0～15Ω)，学生电源(恒压输出3V)，开关，导线若干．\n(1)如图甲所示，用螺旋测微器测量金属丝的直径时，为了防止金属丝发生明显形变，同时防止损坏螺旋测微器，转动旋钮C至测砧、测微螺杆与金属丝将要接触时，应调节旋钮________(选填“A”“B”或“D”)，直至发出“喀喀”声时停止．某次的测量结果如图乙所示，其读数为______________________mm.D0.535(0.534或0.536也正确)解析：为了防止金属丝发生明显形变，同时，转动旋钮C至测砧、测微螺杆与金属丝将要接触时，应调节旋钮D发生“喀喀”声时停止；由图乙知，读数为0.5mm＋3.5×0.01mm＝0.535mm.\n(2)请用笔画线代替导线将图丙的电路补充完整．答案：如图所示\n解析：电流表内阻与金属丝的电阻相差较小，则电流表采用外接法，由于金属丝电阻比滑动变阻器的最大阻值小，故滑动变阻器采用限流式接法，如图1所示．\n(3)如图丁所示，实验数据已描在坐标纸上，作出UI图线，并求出该金属丝的电阻为______Ω(结果保留两位有效数字)．答案：如图所示4.5\n解析：连线时让尽可能多的点在同一直线上，不在同一直线上的点尽量对称分布在直线两侧，太远的点舍去，如图2所示．该金属丝的电阻值为R＝＝4.5Ω.\n(4)有同学认为用图像法求金属丝的电阻是为了减小系统误差，他的想法是否正确？请说明理由。解析：不正确，作图法只能减小偶然误差，不能减小系统误差．\n【跟进训练】4.[2021·浙江6月，18]小李在实验室测量一电阻Rx的阻值．(1)因电表内阻未知，用如图1所示的电路来判定电流表该内接还是外接．正确连线后，合上开关S，将滑动变阻器的滑片P移至合适位置．单刀双掷开关K掷到1，电压表的读数U1＝1.65V，电流表的示数如图2所示，其读数I1＝________A；将K掷到2，电压表和电流表的读数分别为U2＝1.75V，I2＝0.33A．由此可知应采用电流表________(填“内”或“外”)接法．0.33～0.34外\n解析：电流表量程为0～0.6A，分度值为0.02A，所以读数为0.33A～0.34A；开关K接2时与接1时相比，电压变化较大，而电流基本不变，说明内接时电流表的分压较大，电流表的内阻与待测电阻较接近，故电流表使用外接法误差更小．\n(2)完成上述实验后，小李进一步尝试用其它方法进行实验：①器材与连线如图3所示，请在虚线框中画出对应的电路图；\n②先将单刀双掷开关掷到左边，记录电流表读数，再将单刀双掷开关掷到右边，调节电阻箱的阻值，使电流表的读数与前一次尽量相同，电阻箱的示数如图3所示，则待测电阻Rx＝________Ω.此方法，________(填“有”或“无”)明显的实验误差，其理由是_____________________________________________.解析：本实验采用的方法是“等效替代法”，开关先后掷到左右两端，通过调节电阻箱使两次电流表示数相同，说明电阻箱支路和Rx支路的电阻相等，即电阻箱这条支路替代了原来的Rx支路，如题图3所示电阻箱读数为1000×0＋100×0＋10×0＋1×5＝5Ω，则Rx的阻值也为5Ω；此方法有明显的实验误差，原因是电阻箱的最小分度值过大与待测电阻比较接近．5有电阻箱的最小分度与待测电阻比较接近(或其它合理解释)\n考点二　拓展创新型实验角度1电压表和电流表的灵活用法(1)若电压表内阻已知，则可将其当作电流表、电压表以及定值电阻来使用．(2)若电流表内阻已知，则可将其当作电流表、电压表以及定值电阻来使用．\n例2[2022·河北衡水中学模拟]如图甲所示是测量阻值约为十几欧的未知电阻Rx的原理图，R是电阻箱(0～99.9Ω)，R0是滑动变阻器，A1和A2是电流表，E是电源(电动势为12V，内阻r＝5Ω)．\n具体实验步骤如下：①连接好实验电路，闭合开关S；②调节滑动变阻器R0和电阻箱R，使A2示数为I2＝0.20A，记下此时电阻箱阻值R和A1示数I1；③重复步骤②，且保持A2示数仍为I2＝0.20A，测量多组R和I1值；④将实验测得的数据处理后，最后作出了如图乙所示的图像．\n根据实验回答以下问题．(1)现有四只供选用的电流表：A．电流表(0～3mA，内阻为2.0Ω)B．电流表(0～3mA，内阻未知)C．电流表(0～0.3A，内阻为10Ω)D．电流表(0～0.3A，内阻未知)请根据实验过程判断A1应选用________，A2应选用________．(填写选项字母)(2)根据以上实验数据得出Rx＝__________Ω，电流表A1的内阻RA1＝__________Ω.(计算结果均保留2位有效数字)DC1110\n解析：(1)由图甲根据欧姆定律有(R＋RA1)I1＝(Rx＋RA2)I2，整理可得R＝·I2(Rx＋RA2)－RA1，由此可知，要求得Rx的值，除了需要求出图乙所示图像的斜率，还需要知道A2的内阻，又实验时通过A2的电流控制在0.20A，故A2应选用C；由图乙可知A1示数的倒数最小值为4，则通过A1的电流最大值为0.25A，故A1的量程应选0～0.3A，故A1选择D.(2)由R＝·I2(Rx＋RA2)－RA1可知，R－图像的斜率k＝I2(Rx＋RA2)，可由此求出未知电阻的阻值，在图乙所示图像上取两个距离较远的点，如(6A－1，15Ω)和12A-1，40Ω)，可求得图像的斜率k＝V＝V，即I2(Rx＋RA2)＝V，代入I2、RA2的数据解得Rx＝11Ω，由图像的纵截距可得电流表A1的内阻RA1＝10Ω.\n【题后反思】(1)若电流表内阻已知，则可将其当作电流表、电压表以及定值电阻来使用．(2)若电压表内阻已知，则可将其当作电流表、电压表以及定值电阻来使用．(3)分析一个新的图像时，要弄清楚实验的原理，在分析实验原理的基础上找出图像所表示的物理意义，这类创新实验重点考查考生对实验原理的理解能力及对知识灵活运用的能力．\n角度2测量电阻最有特色的测量方法——半偏法半偏法是一种科学巧妙的测定电表内阻的方法，常见的有半偏电流法和半偏电压法．半偏电流法是利用电流表指针半偏来测定电流表内阻的方法；半偏电压法是利用电压表指针半偏来测定电压表内阻的方法．\n其实验电路图及操作步骤如下表所示：电路图操作步骤测量电流表内阻(R0≫RA)①R0阻值调至最大，断开S2、闭合S1，调节R0，使电流表Ⓐ满偏为I0；②保持R0不变，闭合S2，调节R，使电流表Ⓐ读数为；③由上得RA＝R.测量电压表内阻(电源内阻不计)①闭合S，调节电阻箱阻值为R1时，测得表示数为U1；②改变电阻箱阻值为R2时，测得表示数为；③由上得RV＝R2－2R1.\n例3[2022·山西太原一模]有一电流表A，量程为0～1mA，内阻rg约为100Ω，要求测量其内阻．可选用的器材有：电阻箱R0，最大阻值为99999.9Ω；滑动变阻器甲，最大阻值为10kΩ；滑动变阻器乙，最大阻值为2kΩ；电源E1，电动势约为2V，内阻不计；电源E2，电动势约为6V，内阻不计；开关2个，导线若干．采用的测量电路图如图所示，实验步骤如下：a．断开S1和S2，将R调到最大；b．合上S1，调节R使电流表A指针满偏；c．合上S2，调节R1使电流表A指针半偏，此时可以认为电流表A的内阻rg＝R1.\n请问：(1)上述可供选择的器材中，可变电阻R1应该选择______；为了使测量尽量精确，可变电阻R应该选择___________；电源E应该选择________．(2)认为电流表A的内阻rg＝R1，得到的结果与真实值相比________．(填“偏大”“偏小”或“相等”)R0滑动变阻器甲E2偏小\n解析：(1)根据半偏法测电阻的原理可知，实验中必须明确R1的阻值大小，R1必须选R0；此电路测电流表内阻，要求R的阻值远大于电流表内阻，故R应选滑动变阻器甲，为使电流表读数尽量准确，电源应选电动势较大的E2.(2)根据闭合电路的欧姆定律及电路特点可得，只合上S1，调节R使电流表指针满偏时有Ig＝，再合上S2，调节R1使电流表指针半偏时，电路中的总电流I＝>Ig.通过R1的电流I1>Ig，根据并联电路的特点知rg>R1，若认为内阻rg＝R1，则结果与真实值相比偏小．\n角度3测量电阻最精确的方法——等效替代法(1)实验原理(如右图)(2)实验步骤：S先与2连接，记录Ⓐ的示数，再与1连接，调节R值使Ⓐ的示数与原值相等，则Rx＝R.(3)说明对Ⓐ的要求，只要有刻度且不超过量程即可，与指针是否超无关，因为电流表示数不参与运算．\n例4[2022·武汉模拟]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，现在提供一只标有“220V40W”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________(选填“大于”“等于”或“小于”)灯泡正常工作时的电阻值．1210小于解析：正常工作时电压为额定电压，故有P＝，所以R＝＝1210Ω；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．\n(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．220V交流电源B．单刀双掷开关一个C．电阻箱一个(0～999.9Ω，额定电流0.5A)D．定值电阻一个(0.5kΩ，额定电流0.3A)E．交流电流表一个(0～0.3A)请在虚线框内画出电路原理图．\n解析：应用等效法．因电阻箱的最大阻值小于灯泡正常工作的电阻值，故应串联一定值电阻，电路原理图如图所示．\n角度4电表的改装例5[2022·四川绵阳二诊]将一微安表先改装成量程为0～1mA的电流表，再将该电流表改装成量程为0～5V的电压表，并与标准电压表对比校准．图甲是改装后电压表与标准电压表对比校准的电路图，虚线框中是改装后电压表电路，V0是量程为0～6V的标准电压表．已知微安表满偏电流为250μA，标记的内阻为600Ω，电阻箱R1、R2的阻值调节范围均为0～9999.99Ω.主要实验步骤如下：\n(1)微安表改装．图甲中电阻箱R1、R2的阻值分别调节到R1＝________Ω，R2＝________Ω.(2)实物连线．选用合适的器材，按照图甲正确连接电路．(3)对比校准．正确连接电路后，闭合开关，调节滑动变阻器，当标准电压表的示数如图乙所示时，微安表的示数如图丙所示，由此可以推测出改装电压表真实量程的最大值________5V．(选填“大于”或“小于”)2004850小于\n解析：(1)微安表并联电阻改装为1mA的电流表，有IgRg＝(I－Ig)R1，即250×10－6×600V＝(1×10－3A－250×10－6A)R1，解得R1＝200Ω，改装后的电流表满偏电流为I＝1mA，内阻为RA＝＝150Ω，再改装为量程为0～5V的电压表，串联电阻R2，有U＝I(RA＋R2)，即5V＝1×10－3A×(150Ω＋R2)，解得R2＝4850Ω.(3)由标准电压表的读数可知改装后电压表测量的真实电压为3.2V；微安表的分度值为5μA，读数为170μA，根据微安表指针偏角和改装电压表所测电压成正比有＝，解得改装电压表真实量程的最大值U′≈4.71V<5V，即改装电压表真实量程的最大值小于5V.\n(4)重新调整．通过检测发现：电阻箱R1、R2阻值是准确的，而微安表标记的内阻不准确，这是改装电压表真实量程的最大值不是5V的原因．再通过调节电阻箱R1、R2的阻值，使改装电压表量程为0～5V，以下调节方案可行的有________(填序号)．A．保持R1不变，将R2增大到合适值B．保持R1不变，将R2减小到合适值C．保持R2不变，将R1增大到合适值D．保持R2不变，将R1减小到合适值AD解析：因改装电压表的量程最大值偏小，又U＝IgRg＋IgR2，则保持R1不变，将R2增大到合适值，可使U增大，另外保持R2不变，将R1减小到合适值，也能使U增大，正确答案为A、D.\n【跟进训练】5.[2021·广东卷，12]某小组研究热敏电阻阻值随温度的变化规律．根据实验需要已选用了规格和量程合适的器材．(1)先用多用电表预判热敏电阻阻值随温度的变化趋势．选择适当倍率的欧姆挡，将两表笔________，调节欧姆调零旋钮，使指针指向右边“0Ω”处．测量时观察到热敏电阻温度越高，相同倍率下多用电表指针向右偏转角度越大，由此可判断热敏电阻阻值随温度的升高而________．短接减小解析：使用多用电表的欧姆挡前应先欧姆调零，即将两表笔短接．温度越高，相同倍率下多用电表的指针向右偏转的角度越大，则电阻阻值越小，故热敏电阻的阻值随温度的升高而减小．\n(2)再按下图连接好电路进行测量．\n①闭合开关S前，将滑动变阻器R1的滑片滑到________端(填“a”或“b”)．将温控室的温度设置为T，电阻箱R0调为某一阻值R01.闭合开关S，调节滑动变阻器R1，使电压表和电流表的指针偏转到某一位置．记录此时电压表和电流表的示数、T和R01.断开开关S.再将电压表与热敏电阻C端间的导线改接到D端，闭合开关S.反复调节R0和R1，使电压表和电流表的示数与上述记录的示数相同．记录此时电阻箱的阻值R02.断开开关S.②实验中记录的阻值R01________R02(填“大于”“小于”或“等于”)，此时热敏电阻阻值RT＝________．(3)改变温控室的温度，测量不同温度时的热敏电阻阻值，可以得到热敏电阻阻值随温度的变化规律．b大于R01－R02\n解析：①闭合开关前，为了保护电路，应该将滑动变阻器的滑片移到b端．②将电压表与热敏电阻C端间的导线改接到D，调节滑动变阻器和电阻箱，使电压表和电流表的示数与改接前一致，则R01＝R02＋RT，所以R01>R02，RT＝R01－R02.