高考物理实验专题特训7测定金属的电阻率使用螺旋测微器.docx
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高考物理实验专题特训7测定金属的电阻率使用螺旋测微器
2019-2020年高考物理实验专题特训(7)测定金属的电阻率、使用螺旋测微器
一、实验目的
1.掌握电流表、电压表和滑动变阻器的使用方法。
2.掌握螺旋测微器的使用方法和读数方法。
3.学会利用伏安法测电阻,进一步测出金属丝的电阻率。
二、实验器材
被测金属丝、螺旋测微器、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。
1.螺旋测微器
(1)构造:
如图实71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。
图实71
(2)原理:
测微螺杆F与固定刻度B之间的精密螺纹的螺距为0.5mm,即旋钮D每旋转一周,F前进或后退0.5mm,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0.01mm,即螺旋测微器的精确度为0.01mm。
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)
图实72
如图实72所示,固定刻度示数为2.0mm,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:
2.0mm+15.0×0.01mm=2.150mm。
2.游标卡尺
(1)构造:
如图实73所示,主尺、游标尺(主尺和游标尺上各有一个内外测量爪)、游标尺上还有一个深度尺,尺身上还有一个紧固螺钉。
图实73
(2)用途:
测量厚度、长度、深度、内径、外径。
(3)原理:
利用主尺的最小分度与游标尺的最小分度的差值制成。
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1mm。
常见的游标卡尺的游标尺上小等分刻度有10个的、20个的、50个的,见下表:
刻度格数(分度)
刻度总长度
每小格与1mm的差值
精确度(可准确到)
10
9mm
0.1mm
0.1mm
20
19mm
0.05mm
0.05mm
50
49mm
0.02mm
0.02mm
(4)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的格数,则记录结果表达为(x+K×精确度)mm。
3.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
R测==Rx+RA>Rx
测量值大于真实值
R测== 测量值小于真实值 适用条件 RA≪Rx RV≫Rx 适用于测量 大阻值电阻 小阻值电阻 (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临界值计算法: Rx<时,用电流表外接法; Rx>时,用电流表内接法。 ③实验试探法: 按图实74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。 图实74 三、实验步骤 1.求导线横截面积S。 在准备好的金属丝上三个不同位置用螺旋测微器各测一次直径,求出其平均值d,S=πd2/4。 2.将金属丝两端固定在接线柱上悬空挂直,用毫米刻度尺测量接入电路的金属丝长度(即有效长度),反复测量三次.求出平均值L. 3.按照原理图(如图所示)连好用伏安法测电阻的实验电路. 4.把滑动变阻器调到最左端,检查无误后,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值和电压值记录在表格中,断开S,求出导线电阻R的平均值.‘ 5.数据处理: 将记录的数据R、l、d的值,代入电阻率计算公式ρ=RS/l=πd2U/4lI. 6.整理仪器. 四、注意事项 1.为了方便,直径应在导线连入电路前测量,为了准确测量金属丝的长度,应该在连入电路之后在拉直的情况下进行. 2.被测金属丝的电阻值较小,须采用电流表外接法. 3.电键S闭合前,滑动变阻器的阻值要调至使小灯泡两端电压为0的位置. 4.电流不宜太大,通电时间不宜太长,否则金属丝将要发热,温度升高,导致电阻率变化,造成误差. 5.为了准确求出R的平均值,应多次测量作出I—U图象,利用图象求电阻. 五、误差分析 1.直径测量和长度测量造成的误差,因为公式ρ=RS/l=πd2U/4lI可以看出,直径的测量造成的误差更大,因此要用螺旋测微器测量。 2.测量电路中电流表及电压表的读数及对电阻测量的影响引起的误差. 由于本实验采用电流表外接法,所以R测 3.通电电流过大,会导致电阻丝发热,电阻率发生变化.由此引起的误差,会使电阻率偏大. 考点一 测量仪器、仪表的读数 [典例1] (1)如图实75所示的两把游标卡尺,它们的游标尺从左至右分别为9mm长10等分、19mm长20等分,它们的读数依次为________mm,________mm。 图实75 (2)使用螺旋测微器测量两个金属丝的直径,示数如图实76所示,则图(a)、(b)金属丝的直径分别为________mm,________mm。 图实76 (3)①图实77甲用0.6A量程时,对应刻度盘上每一小格代表______A,表针的示数是________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。 图实77 ②图实77乙使用较小量程时,每小格表示________V,图中指针的示数为________V,若使用的是较大量程,则这时表盘刻度每小格表示________V,图中表针指示的是________V。 [答案] (1)17.7 23.85 (2)2.150 0.048 (3)①0.02 0.44 0.1 2.20 ②0.1 1.70 0.5 8.5 [考点总结·要点谨记] 1.游标卡尺的读数[对应第1题] 3.电流表和电压表的读数[对应第(3)题] (1)若刻度盘上每一小格为: 1,0.1,0.001…时,需估读到最小刻度值的下一位。 (2)若刻度盘上每一小格为: 0.2,0.02,0.5,0.05…时,只需估读到最小刻度值的位数。 考点二 实验原理与操作 [典例2] (2014·浙江高考)小明对2B铅笔芯的导电性能感兴趣,于是用伏安法测量其电阻值。 (1)图实711甲是部分连接好的实物电路图,请用电流表外接法完成接线并在图甲中画出。 (2)小明用电流表内接法和外接法分别测量了一段2B铅笔芯的伏安特性,并将得到的电流、电压数据描到UI图上,如图乙所示。 在图中,由电流表外接法得到的数据点是用________(填“○”或“×”)表示的。 (3)请你选择一组数据点,在图乙上用作图法作图,并求出这段铅笔芯的电阻为________Ω。 图实711 [答案] (1)如图甲所示 (2)× (3)如图乙所示;用“×”表示的数据连线时: 1.2(1.1~1.3均可);用“○”表示的数据连线时: 1.6(1.5~1.7均可) [考点总结·要点谨记] 1.实物图连线[对应第1题] 2.电流表内接法和外接法的误差分析[对应第 (2)题] (1)根据伏安法测电阻的实验原理,采用电流表内接法时,测得的电阻值偏大,即R测=R真+RA (2)采用外接法时,测量的电阻值偏小,即 R测=。 考点三 数据处理与误差分析 [典例3] (2012·北京高考)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50cm。 (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实715所示,其读数应为________mm(该值接近多次测量的平均值)。 图实715 (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3V,内阻约1Ω)、电流表(内阻约0.1Ω)、电压表(内阻约3kΩ)、滑动变阻器R(0~20Ω,额定电流2A)、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是采用图实716中的________图(选填“甲”或“乙”)。 图实716 (3)图实717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,补充完成图实717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。 图实717 (4)这个小组的同学在坐标纸上建立U、I坐标系,如图实718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UI图线。 由图线得到金属丝的阻值Rx=________Ω(保留两位有效数字)。 图实718 (5)根据以上数据可以估算出金属丝电阻率约为____________(填选项前的符号)。 A.1×10-2Ω·m B.1×10-3Ω·m C.1×10-6Ω·mD.1×10-8Ω·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________(有多个正确选项)。 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.由于电流表和电压表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UI图像处理数据求金属丝电阻可以减小偶然误差 [答案] (1)0.397(0.395~0.399均可) (2)甲 (3)如图(a) (4)如图(b) 4.5(4.3~4.7均可) (5)C (6)CD [考点总结·要点谨记] 3.分压式电路的连接[对应第3题] 连接分压式结构时,应先将电源、开关、滑动变阻器的全部阻值即下端两个接线柱接入电路。 4.根据描点作图像的能力[对应第4题],1作图像时,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在UI图像中,图线的斜率表示电阻值的大小,即Rx= 5.对数据的运算能力[对应第(5)题] (1)由公式R=ρ、S=π2可求ρ。 (2)把数据统一用国际单位制,代入公式。 6.偶然误差与系统误差的关系[对应第(6)题] (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(或采用图像法处理数据)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。 考点四 实验的改进与创新 [典例4] (2014·山东高考)实验室购买了一捆标称长度为100m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1.0mm2,查得铜的电阻率为1.7×10-8Ω·m,再利用图实721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: 图实721 电流表: 量程0.6A,内阻约0.2Ω; 电压表: 量程3V,内阻约9kΩ; 滑动变阻器R1: 最大阻值5Ω; 滑动变阻器R2: 最大阻值20Ω; 定值电阻: R0=3Ω; 电源: 电动势6V,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)在实物图实722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。 图实722 (3)调节滑动变阻器,当电流表的读数为0.50A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2位有效数字)。 [答案] (1)R2 a (2)如右图所示 (3)2.30 (4)94 [考点总结·要点谨记] 1.实验原理的创新[对应题干部分] 2.实验器材的创新[对应第1题] Rx较小,而未直接测量Rx的阻值,而是测量Rx与定值电阻的串联阻值。 1. (1)在测定金属的电阻率实验中,用螺旋测微器测量金属丝的直径,示数如图16(a)所示,读数为________mm. (2)在用单摆测定重力加速度实验中,用游标为20分度的卡尺测量摆球的直径,示数如图16(b)所示,读数为________cm. (a) (b) 图16 【答案】 (1)0.617(0.616~0.619) (2)0.675 2.(2013·广州一模)如图17甲所示的金属工件,截面外方内圆,外边长约为1cm、内径约为0.5cm、长度约为40cm. 图17 (1)某同学用游标卡尺测出截面外边长如图17乙所示,其读数a=________. (2)应选用____________来测量工件内径d,选用____________来测量工件的长度L.(填“毫米刻度尺”“游标卡尺”或“螺旋测微器”) (3)为了测出该金属的电阻率,该同学设计了如图丙所示的电路,请按设计的电路完成实物图17丁的连线. (4)实验测得工件两端电压为U,通过的电流为I,请写出该金属电阻率的表达式ρ=________.(用a,d,L,U,I等字母表示) 【答案】 (1)1.02 (2)游标卡尺 毫米刻度尺 (3)连线如图所示 (4) 3.(2013·广东)如图18甲是测量电阻Rx的原理图.学生电源输出电压可调,电流表量程选0.6A(内阻不计),标有长度刻度的均匀电阻丝ab的总长为30.0cm. (1)根据原理图连接图18乙的实物图. 图18 (2)断开S2,合上S1;调节电源输出电压为3.0V时,单位长度电阻丝的电压U=________V/cm.记录此时电流表A1的示数. (3)保持S1闭合,合上S2;滑动c点改变ac的长度L,同时调节电源输出电压,使电流表A1的示数与步骤 (2)记录的值相同,记录长度L和A2的示数I.测量6组L和I值,测量数据已在图丙中标出.写出Rx与L,I,U的关系式Rx=________;根据图丙中的点用作图法算出Rx=________Ω. 【答案】 (1)如图所示 (2)0.10 (3) 6.0 【解析】本题考查了测量电阻的实验.难度中等. (1)根据电路图连接实物图. (2)电阻丝总长为30.0cm,电源输出电压为3.0V,所以单位长度电阻丝的电压U=V/cm=0.10V/cm.(3)根据串并联的知识,UL=IRx,解得Rx=;L-I图象中,斜率k=,Rx=kU=×0.1Ω=6Ω. 4.(2015·韶关模拟)在“测定金属的电阻率”实验中,提供的电源是一节内阻不计的干电池,被测金属丝的直径小于1mm,长度约为80cm,阻值约为3Ω.使用的电压表有3V(内阻约为3kΩ)和15V(内阻约为15kΩ)两个量程,电流表有0.6A(内阻约为0.1Ω)和3A(内阻约为0.02Ω)两个量程;供限流用的滑动变阻器有最大阻值分别为10Ω,100Ω,1500Ω的三种,可供选择的实验电路有如图甲、乙所示的两种.用螺旋测微器测金属丝的直径如图丙所示,则: 图19 (1)螺旋测微器的示数是______mm. (2)为减小电阻的测量误差,应选用______图所示的电路. (3)为在测量中便于调节,应选用最大阻值为______Ω的滑动变阻器. (4)电压表的量程应选用______V. (5)电流表的量程应选用______A. 【答案】 (1)2.250 (2)乙 (3)10 (4)3 (5)0.6 【解析】 (1)螺旋测微器的读数为 d=2.0mm+25.0×0.01mm=2.250mm; (2)由于待测电阻满足>,电流表应用外接法,所以应选用乙图所示的电路; (3)由于待测电阻阻值为3Ω,所以变阻器采用限流式接法时,应选择与待测电阻接近的最大阻值为10Ω变阻器; (4)由于一节电池的电动势为1.5V,所以电压表应选择3V的量程; (5)根据闭合电路欧姆定律可求出通过待测电阻的最大电流为Imax==A=0.5A,所以电流表应选择0.6A的量程.
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- 高考 物理 实验 专题 测定 金属 电阻率 使用 螺旋 测微器