第53讲　实验十一　测量金属丝的电阻率——2027届高三物理一轮复习讲义（含答案）

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1．掌握电流表、电压表和滑动变阻器的使用方法及电流表和电压表的读数方法。
2．掌握螺旋测微器及游标卡尺的原理及读数方法。
3．会用伏安法测电阻，进一步测定金属的电阻率。
二、实验原理(如图所示)
由R＝ρeq \f(l,S)得ρ＝eq \f(RS,l)＝eq \f(πd2R,4l)，因此，只要测出金属丝的 长度 、 直径 和金属丝的电阻R，即可求出金属丝的电阻率ρ.
三、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(0～50 Ω)、开关、导线若干、螺旋测微器、毫米刻度尺。
四、实验步骤
1．测金属丝直径d：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。
2．按照电路图连好电路。
3．测量金属丝有效长度l：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。
4．把滑动变阻器的滑片调到最 左 (选填“左”或“右”)端。
5．闭合开关，改变滑动变阻器滑片的位置，读出几组相应的电流表、电压表的示数I和U的值，填入记录表格内。
6．将测得的R、l、d值，代入公式ρ＝eq \f(πd2R,4l)中，计算出金属丝的电阻率。
7．整理仪器。
五、求Rx的平均值时可用两种方法
1．用Rx＝eq \f(U,I)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。
六、误差分析
1．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 。
2．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。
3．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，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．若采用图像法求电阻阻值的平均值，在描点时，要尽量使各点间的距离拉大一些，连线时要尽可能地通过较多的点，其余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。
考点1 教材原型实验
(基础考点·自主探究)
【跟踪训练】
(2024·山东卷)某学习小组对两种型号铅笔芯的电阻率进行测量。实验器材如下：
学生电源(输出电压0～16 V)；
滑动变阻器(最大阻值10 Ω，额定电流2 A)；
电压表V(量程0～3 V，内阻未知)；
电流表A(量程0～3 A，内阻未知)；
待测铅笔芯R(X型号、Y型号)；
游标卡尺、螺旋测微器、开关S、单刀双掷开关K，导线若干。
回答以下问题：
(1)使用螺旋测微器测量铅笔芯直径，某次测量结果如图甲所示，该读数为________mm；
(2)把待测铅笔芯接入图乙所示电路，闭合开关S后，将滑动变阻器滑片由最右端向左调节到合适位置，将单刀双掷开关K分别掷到1、2端，观察到电压表示数变化比电流表示数变化更明显，则测量铅笔芯电阻时应将K掷到________(填“1”或“2”)端；
(3)正确连接电路，得到Y型号铅笔芯I－U图像如图丙所示，求得电阻RY________Ω(保留3位有效数字)；采用同样方法得到X型号铅笔芯的电阻为1.70 Ω；
(4)使用游标卡尺测得X、Y型号铅笔芯的长度分别为40.68 mm、60.78 mm。使用螺旋测微器测得X、Y型号铅笔芯直径近似相等，则X型号铅笔芯的电阻率________(填“大于”或“小于”)Y型号铅笔芯的电阻率。
考点2 创新实验提升
(能力考点·深度研析)
1．实验原理的改进
测量电阻时还可应用等效替代法、电桥法、双电流表法、双电压表法等。
2．实验器材的改进
(1)实验中若没有螺旋测微器测电阻丝的直径，可将电阻丝紧密地缠绕在圆柱形铅笔上30～50匝，测总长度，然后求出直径。
(2)本实验中可以把电压表、电流表更换为电压传感器、电流传感器。
(3)实验中需要电压表或电流表而题目给出的量程不合适或没有给出时，可考虑用改装后的电压表或电流表。
3．实验方法的迁移应用
根据R＝ρeq \f(L,S)，实验不仅能测量电阻率，还可测量导线长度、横截面积、直径等。
4．数据处理的改进
(1)改变金属丝的电阻作R－L图像。
(2)在I不变的情况下，作U－L图像。
►考向1 实验原理和器材的创新
(2023·广东卷)某兴趣小组设计了测量盐水电导率的实验。所用器材有：电源E(电动势恒定，内阻可忽略)；毫安表mA(量程15 mA，内阻可忽略)；电阻R1(阻值500 Ω)、R2(阻值500 Ω)、R3(阻值600 Ω)和R4(阻值200 Ω)；开关S1和S2；装有耐腐蚀电极板和温度计的有机玻璃样品池；导线若干。请完成下列实验操作和计算。
(1)电路连接
图(a)为实验原理图。在图(b)的实物图中，已正确连接了部分电路，只有R4一端的导线还未连接，该导线应接到R3的________(填“左”或“右”)端接线柱。
(2)盐水电导率和温度的测量
①测量并记录样品池内壁的长宽高，在样品池中注满待测盐水；
②闭合开关S1，________开关S2，毫安表的示数为10.0 mA，记录此时毫安表的示数；计算得到流过样品池的电流I1为________mA；
③________开关S2，毫安表的示数为15.0 mA，记录此时毫安表的示数；计算得到流过样品池的电流I2为________mA；
④断开开关S1，测量并记录盐水的温度。
(3)根据上述数据，计算得到样品池两电极板间待测盐水的电阻为________Ω，进而可求得该温度时待测盐水的电导率。
►考向2 数据处理的改进
提能训练 练案[53]
1．(2024·湖南省雅礼中学模拟)一根细长均匀、内芯为绝缘材料的金属管线样品，横截面外缘为正方形，如图甲所示。此金属管线样品长约30 cm、电阻约10 Ω，已知这种金属的电阻率为ρ，因管芯绝缘材料截面形状不规则，无法直接测量其横截面积。请你设计一个测量管芯截面积S的电学实验方案，现有如下器材可选：
A．毫米刻度尺
B．螺旋测微器
C．电流表A1(量程0～600 mA，内阻约为1.0 Ω)
D．电流表A2(量程0～3 A，内阻约为0.1 Ω)
E．电压表V(量程0～3 V，内阻约为6 kΩ)
F．滑动变阻器R1(2 kΩ，允许通过的最大电流0.5 A)
G．滑动变阻器R2(10 Ω，允许通过的最大电流2 A)
H．蓄电池E(电动势为6 V，内阻约为0.05 Ω)
I．开关一个、带夹子的导线若干
(1)上述器材中，应该选用的电流表是________，滑动变阻器是________(均填写器材前字母代号)。
(2)若某次用螺旋测微器测得样品截面外缘正方形边长如图乙所示，则其值为________mm。
(3)要求尽可能测出多组数据，则在图丙、丁、戊、己中应选择的电路图是________。
(4)若样品截面外缘正方形边长为a、样品长为L、电流表示数为I、电压表示数为U，则计算内芯横截面积的表达式为S＝________。
2．(2024·江西卷)某小组欲设计一种电热水器防触电装置，其原理是：当电热管漏电时，利用自来水自身的电阻，可使漏电电流降至人体安全电流以下。为此，需先测量水的电阻率，再进行合理设计。
(1)如图(a)所示，在绝缘长方体容器左、右两侧安装可移动的薄金属板电极，将自来水倒入其中，测得水的截面宽d＝0.07 m和高h＝0.03 m。
(2)现有实验器材：电流表(量程0～300 μA，内阻RA＝2 500 Ω)、电压表(量程0～3 V或0～15 V，内阻未知)、直流电源(3 V)、滑动变阻器、开关和导线。请在图(a)中画线完成电路实物连接。
(3)连接好电路，测量26 ℃的水在不同长度l时的电阻值Rx。将水温升到65 ℃，重复测量。绘出26 ℃和65 ℃水的Rx－l图线，分别如图(b)中甲、乙所示。
(4)若Rx－l图线的斜率为k，则水的电阻率表达式为ρ＝________(用k、d、h表示)。实验结果表明，温度________(填“高”或“低”)的水更容易导电。
(5)测出电阻率后，拟将一段塑料水管安装于热水器出水口作为防触电装置。为保证出水量不变，选用内直径为8.0×10－3 m的水管。若人体的安全电流为1.0×10－3 A，热水器出水温度最高为65 ℃，忽略其他电阻的影响(相当于热水器220 V的工作电压直接加在水管两端)，则该水管的长度至少应设计为________m。(保留2位有效数字)
3．(2025·河北张家口高三统考)某同学想测量某一金属丝的电阻Rx和电阻率ρ。
(1)如图1所示，先用螺旋测微器测得金属丝直径为______mm，用游标卡尺测得其长度为________cm。
(2)为了求出电阻率，需要测量金属丝的电阻，除所测金属丝Rx(阻值约为1.5 Ω)外，还有如下器材：
A．电源E：电动势为4 V，内阻忽略不计
B．电流表A1：量程0.6 A，内阻RA1为1 Ω
C．电流表A2：量程3 A，内阻RA1约为0.5 Ω
D．定值电阻R2：阻值0.5 Ω
E．定值电阻R3：阻值4 Ω
F．滑动变阻器R1：最大电阻为5 Ω
G．开关和若干导线
回答下列问题：
①若想通过将电流表改装成量程为3 V的电压表来测量电压，则应选择电流表________(填“A1”或“A2”)，定值电阻________(填“R2”或“R3”)，并选择________(填“并联”或“串联”)连接方式。
②用题中所给的器材进行电路设计来完成对待测电阻Rx的测量，要求尽可能测量多组数据，在虚线框中画出电路图并标注元件代号。
③改变滑动变阻器滑片位置，测量多组数据，记录两电表示数I1与I2，并绘制如下I2－I1图像。由该图可得待测金属丝电阻Rx＝________(结果保留2位小数)。
④由上述过程和结果可得金属丝电阻率ρ＝________Ω·m(结果保留2位小数，注：π取3)。
4．(2023·浙江卷)在“测量金属丝的电阻率”实验中：
(1)测量一段金属丝电阻时所用器材和部分电路连线如图1所示，图中的导线a端应与________(选填“－”“0.6”或“3”)接线柱连接，b端应与________(选填“－”“0.6”或“3”)接线柱连接。开关闭合前，图1中滑动变阻器滑片应置于________(选填“左”或“右”)端。
(2)合上开关，调节滑动变阻器，得到多组U和I数据。甲同学由每组U、I数据计算电阻，然后求电阻平均值；乙同学通过U－I图像求电阻。则两种求电阻的方法更合理的是________(选填“甲”或“乙”)。
(3)两同学进一步探究用镍铬丝将满偏电流Ig＝300 μA的表头G改装成电流表。如图2所示，表头G两端并联长为L的镍铬丝，调节滑动变阻器使表头G满偏，毫安表示数为I。改变L，重复上述步骤，获得多组I、L数据，作出I－eq \f(1,L)图像如图3所示。
则I－eq \f(1,L)图像斜率k＝________mA·m。若要把该表头G改装成量程为9 mA的电流表，需要把长为________m的镍铬丝并联在表头G两端。(结果均保留两位有效数字)
5．(2025·山东烟台高三月考)某同学在进行“测定金属的电阻率”的实验。
(1)如图甲所示，该同学用螺旋测微器测量金属丝的直径D＝________mm；
(2)该同学用如图乙所示电路图测量金属丝Rx的电阻，供选择的仪器如下：
①电流表A1(内阻为r)；
②电流表A2；
③滑动变阻器R1(0～1 000 Ω)；
④滑动变阻器R2(0～20 Ω)；
⑤蓄电池(2 V)；
⑥开关S及导线若干。
(3)滑动变阻器应选择________(选填“R1”或“R2”)；在图丙中按图乙用连线代替导线连接实物图；
(4)闭合开关S，移动滑动触头至某一位置，记录A1、A2的读数I1、I2，通过调节滑动变阻器，得到多组实验数据；以I2为纵坐标，I1为横坐标，作出相应图像，如图丁所示。根据I2－I1图像的斜率k及电流表A1内阻r，写出金属丝电阻的表达式R1＝________；
(5)测得金属丝连入电路的长度为L，则金属丝电阻率ρ＝________(用k、D、L、r表示)。