2021届高考物理一轮复习学案：第8章实验8　测定金属的电阻率（同时练习使用螺旋测微器）

实验八　测定金属的电阻率(同时练习使用螺旋测微器)

1．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。
2．实验原理
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。
测金属电阻的电路图和实物图如图甲、乙所示。

甲　　　　　　　　　乙
3．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。
[部分器材用途]
电流表、电压表
伏安法测电阻
螺旋测微器
测量金属丝的直径，由于测量直径时带来的误差更明显一些，因此用精确度更高的器材测量
毫米刻度尺
测量金属丝的有效长度
4．实验步骤
(1)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。
(2)连接好用伏安法测电阻的实验电路。
(3)用毫米刻度尺测量接入电路中的被测金属丝的有效长度，反复测量三次，求出其平均值l。
(4)把滑动变阻器的滑片调节到使其接入电路中的电阻值最大的位置。
(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Rx、l、d值，代入公式R＝ρ和S＝中，计算出金属丝的电阻率。
5．数据处理
(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U­I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公式ρ＝Rx＝。
6．误差分析
(1)金属丝的横截面积是利用直径计算而得，金属丝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。
7．注意事项
(1)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。
(2)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。
(3)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。


测量仪器、仪表的读数
1．游标卡尺
(1)游标卡尺的读数＝主尺读数＋游标尺读数。
(2)游标卡尺的读数方法：“三看”
①第一看→精确度
②第二看→游标尺上的0刻度线位置，区分零刻度与标尺最前端(如图所示)

③第三看→游标尺的哪条(第N条)刻度线与主尺上的刻度线对齐
2．螺旋测微器
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。
3．电压表和电流表
(1)0～3 V的电压表和0～3 A的电流表读数方法相同，此量程下的精确度是0.1 V或0.1 A，看清楚指针的实际位置，读到小数点后面两位。
(2)对于0～15 V量程的电压表，精确度是0.5 V，在读数时只要求读到小数点后面一位，即读到0.1 V。
(3)对于0～0.6 A量程的电流表，精确度是0.02 A，在读数时只要求读到小数点后面两位，这时要求“半格估读”，即读到最小刻度的一半0.01 A。
[题组训练]
1．(2019·海口市高三模拟)某同学利用游标卡尺和螺旋测微器分别测量一圆柱体工件的直径和高度，测量结果如图甲和乙所示。该工件的直径为________cm，高度为________mm。

甲

乙
[解析]　游标卡尺的主尺读数为1.2 cm，游标尺上第4个刻度线和主尺上某一刻度线对齐，所以游标尺读数为4×0.05 mm＝0.20 mm＝0.020 cm，所以最终读数为：1.2 cm＋0.020 cm＝1.220 cm。
螺旋测微器的固定刻度为6.5 mm，可动刻度为36.0×0.01 mm＝0.360 mm，所以最终读数为6.5 mm＋0.360 mm＝6.860 mm。
[答案]　1.220　6.860(6.858～6.862均正确)
2．(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。

甲　　　　　　　　　乙
(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。

丙
(3)旋钮式电阻箱如图丙所示，电流从接线柱A流入，从B流出，则接入电路的电阻为________Ω，今欲将接入电路的电阻改为2 087 Ω，最简单的操作方法是_____________________________________。
若用两个这样的电阻箱，即可得到的电阻值范围为________。
[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。
(3)接入电路的电阻为1 987 Ω，最简单的操作方法是将“×1 k”旋钮调到2，再将“×100”旋钮调到0。每个电阻箱的最大阻值是9 999 Ω，用这样的两个电阻箱串联可得到的最大电阻是2×9 999 Ω＝19 998 Ω。故用两个这样的电阻箱，可得到的电阻值范围为0～19 998 Ω。
[答案]　(1)0.02　0.44　0.1　2.20　(2)0.1　1.70　0.5　8.5　(3)1 987　将“×1 k”旋钮调到2，再将“×100”旋钮调到0　0～19 998 Ω
实验电路设计和器材选择
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＝＝ 适用条件
RA≪Rx
RV≫Rx
适用于测量
大阻值电阻
小阻值电阻
2.电流表和电压表的选择
(1)根据电路中的最大电流(或最大电压)进行选择。
(2)根据用电器的额定电流(或额定电压)进行选择。
(3)根据电源的参数进行选择。
[题组训练]
1．在伏安法测电阻的实验中，待测电阻Rx约为200 Ω，电压表的内阻约为2 kΩ，电流表的内阻约为10 Ω，测量电路中电流表的连接方式如图(a)或图(b)所示，结果由公式Rx＝计算得出，式中U与I分别为电压表和电流表的示数。若将图(a)和图(b)中电路测得的电阻值分别记为Rx1和Rx2，则________(选填“Rx1”或“Rx2”)更接近待测电阻的真实值，且测量值Rx1________(选填“大于”“等于”或“小于”)真实值，测量值Rx2________(选填“大于”“等于”或“小于”)真实值。

(a)　　　　　　(b)
[解析]　根据串、并联电路的特点解题。根据题意知>，电压表的分流作用较显著，故Rx1更接近待测电阻的真实值。图(a)的测量值是Rx与RA串联的电阻阻值，故Rx1>Rx真；图(b)的测量值是Rx与RV并联的电阻阻值，故Rx2 [答案]　Rx1　大于　小于
2．(2018·天津高考)某同学用伏安法测定待测电阻Rx的阻值(约为10 kΩ)，除了Rx、开关S、导线外，还有下列器材供选用：
A．电压表(量程0～1 V，内阻约10 kΩ)
B．电压表(量程0～10 V，内阻约100 kΩ)
C．电流表(量程0～1 mA，内阻约30 Ω)
D．电流表(量程0～0.6 A，内阻约0.05 Ω)
E．电源(电动势1.5 V，额定电流0.5 A，内阻不计)
F．电源(电动势12 V，额定电流2 A，内阻不计)
G．滑动变阻器R0(阻值范围0～10 Ω，额定电流2 A)
(1)为使测量尽量准确，电压表选用________，电流表选用________，电源选用________。(均填器材的字母代号)
(2)画出测量Rx阻值的实验电路图。



(3)该同学选择器材、连接电路和操作均正确，从实验原理上看，待测电阻测量值会________其真实值(选填“大于”“小于”或“等于”)，原因是________________________________。
[解析]　若选用电动势为1.5 V的电源，则实验中电流最大值仅为0.15 mA，两个电流表均无法准确测量，故选用电动势为12 V的电源F；此时，实验中最大电流约为1.2 mA，故电流表选用C；电压表选用B。 由于滑动变阻器的最大阻值远小于待测电阻的阻值，所以滑动变阻器采用分压式接法；待测电阻的阻值远大于电流表内阻，所以电流表内接。 由于电流表的分压作用，电阻测量值偏大，所以电阻测量值大于其真实值。
[答案]　(1)B　C　F
(2)

(3)大于　电压表的读数大于待测电阻两端实际电压
实验数据处理与分析
1．根据电阻定律得ρ＝。
2．通过有关图象来求电阻率。图象法处理实验数据是最常用的方法之一，要从物理规律出发，写出图象的函数关系式，弄清斜率、截距等的物理意义，从而求出相关物理量。
3．测定金属电阻率实验，由于被测金属丝的阻值较小，一般采用电流表外接法。
4．实验时特别注意：为了方便，测量直径时应在金属丝连入电路之前测量。
[题组训练]
1．在测定某金属的电阻率实验中：

图1　　　　　图2　　　　　图3
(1)某学生进行了如下操作：
①利用螺旋测微器测金属丝直径d，如图1所示，则d＝________mm。
②测量金属丝电阻Rx的电路图如图2所示，闭合开关S，先后将电压表右侧接线端P接a、b点时，电压表和电流表示数如表1所示。
该学生认真观察到两次测量中，电流表的读数几乎未变，发生这种现象的原因是________________，
比较合理且较准确的金属丝电阻Rx测＝________Ω(保留两位有效数字)，从系统误差角度分析，Rx的测量值与其真实值Rx真比较，Rx测________Rx真(填“>”“＝”或“<”)。
表1

U(V)
I(A)
接线端P接a
1.84
0.15
接线端P接b
2.40
0.15
表2

U(V)
I(A)
接线端P接a
2.56
0.22
接线端P接b
3.00
0.20
(2)另一同学找来一恒压电源，按图3的电路先后将接线端P分别接a处和b处，测得相关数据如表2所示，该同学利用该数据可算出Rx的真实值为________Ω。
[解析]　(1)①由题图所示螺旋测微器可知，螺旋测微器示数为1.5 mm＋20.4×0.01 mm＝1.704 mm。②由表中实验数据可知，电压表接a、b两点时，电流表示数不变，电压表示数变化较大，说明电压表内阻很大，电压表分流很小，几乎为零，电流表分压较大，电流表应采用外接法，电压表应接a点，金属丝电阻Rx测＝＝ Ω≈12 Ω；电流表采用外接法，由于电压表分流作用，电流表的测量值大于真实值，由欧姆定律可知，金属丝电阻测量值小于真实值。
(2)由表中实验数据知，RA＝，则Rx＝－RA＝13 Ω。
[答案]　(1)①1.704　②电压表内阻远大于金属丝电阻，电压表分流几乎为零　12　<　(2)13
2．小张同学打算测量由某种合金材料制成的金属丝的电阻率ρ，待测金属丝的横截面为圆形。实验器材有：毫米刻度尺、螺旋测微器、电压表(内阻约几千欧)、电流表(内阻约几欧)、滑动变阻器、电源、开关、待测金属丝及导线若干。
(1)用毫米刻度尺测量待测金属丝的长度，用螺旋测微器测量其直径，结果分别如图1和图2所示，可得其长度L＝________cm，直径D＝________mm。

　　　　　　　图1　　　　　　　　　图2
(2)该同学要用图象法求出待测金属丝的阻值，要求电压从0开始变化。请将图3所示实物电路图中所缺导线补全。
　
图3　　　　　　　　图4
(3)图4是根据实验中测得的6组电流I、电压U的值描绘的点，由图可求出电阻值R＝________Ω(保留3位有效数字)。
(4)请写出待测金属丝的电阻率ρ的表达式ρ＝________(用测得的物理量符号和已知常数表示)。
[解析]　(1)待测金属丝长度测量值为59.40 cm；螺旋测微器的读数为0＋43.4×0.01 mm＝0.434 mm，即待测金属丝直径测量值为0.434 mm。
(2)要求电压从0开始变化，故滑动变阻器采用分压接法；待测金属丝电阻较小，电流表采用外接法。实物电路图连接如图甲所示。

甲　　　　　　乙
(3)在题图4中用直线拟合各数据点，使直线通过尽量多的点，其他点均匀分布在直线两侧，舍弃离直线较远的点，如图乙所示，直线的斜率表示待测金属丝的电阻，根据所画直线可得R≈5.80 Ω。
(4)由电阻定律可知，R＝ρ，S＝，解得：ρ＝。
[答案]　(1)59.40　0.434(0.433～0.435均可)　(2)见解析图甲　(3)5.80(5.70～5.90均可)　(4)

实验拓展与创新

用“替代法”测电阻
1．实验原理(如图)

2．实验步骤
S先与2相接，记录的示数，再与1相接，调节R值使示数与原值相等，则Rx＝R。
[典例示法]　电流表A1的量程为0～200 μA，内阻约为500 Ω，现要准确测量其内阻，除若干开关、导线之外还有器材如下：
电流表A2：与A1规格相同
滑动变阻器R1：阻值为0～20 Ω
电阻箱R2：阻值为0～9 999 Ω
保护电阻R3：阻值约为3 kΩ
电源：电动势E约为1.5 V、内阻r约为2 Ω

(1)如图所示，某同学想用等效法测量电流表内阻，设计了部分测量电路，在此基础上请你将滑动变阻器接入电路中，使实验可以完成。
(2)电路补充完整后，请你完善以下测量电流表A1内阻的实验步骤。
a．先将滑动变阻器R1的滑片移到使电路安全的位置，再把电阻箱R2的阻值调到________。(选填“最大”或“最小”)
b．闭合开关S、S1，调节滑动变阻器R1，使两电流表接近满偏，记录电流表A2的示数I。
c．保持S闭合、滑动变阻器R1的滑片位置不变，断开S1，再闭合S2，调节R2，使电流表A2的示数________，读出此时电阻箱的阻值R0，则电流表A1内阻r1＝________。
[解析]　(1)滑动变阻器的最大阻值远小于待测电流表内阻，因此必须采用分压式接法，电路图如图所示。

(2)a.实验前电阻箱R2应该调节到最大，以保证两电表安全；c.让电流表A2示数不变，可直接从电阻箱R2的读数得到电流表A1的内阻r1。
[答案]　(1)见解析图　(2)a.最大　c．再次为I(或仍为I)　R0


用“半偏法”测量电阻
1．利用电流表半偏测电流表的内阻

(1)实验原理(如图)
(2)实验步骤
①R1调至阻值最大，闭合S1，调R1的阻值使示数达到满偏值。
②保持R1阻值不变，闭合S2，调节R2使示数达到满偏值一半，同时记录R2的值。
③RA＝R2。
2．利用电压表半偏测电压表的内阻

(1)实验原理(如图)
(2)如图所示，测量电压表的内阻，操作步骤如下：
①滑动变阻器的滑片滑至最右端，电阻箱的阻值调到最大；
②闭合S1、S2，调节R0，使表示数指到满偏刻度；
③断开S2，保持R0不变，调节R，使表指针指到满刻度的一半；
④由上可得RV＝R。
[典例示法]　(2016·全国卷Ⅱ)某同学利用图(a)所示电路测量量程为2.5 V的电压表的内阻(内阻为数千欧姆)，可供选择的器材有：电阻箱R(最大阻值99 999.9 Ω)，滑动变阻器R1(最大阻值50 Ω)，滑动变阻器R2(最大阻值5 kΩ)，直流电源E(电动势3 V)，开关1个，导线若干。

图(a)
实验步骤如下：
①按电路原理图(a)连接线路；
②将电阻箱阻值调节为0，将滑动变阻器的滑片移到与图(a)中最左端所对应的位置，闭合开关S；
③调节滑动变阻器，使电压表满偏；
④保持滑动变阻器滑片的位置不变，调节电阻箱阻值，使电压表的示数为2.00 V，记下电阻箱的阻值。
回答下列问题：
(1)实验中应选择滑动变阻器________(选填“R1”或“R2”)。
(2)根据图(a)所示电路将图(b)中实物图连线。

图(b)
(3)实验步骤④中记录的电阻箱阻值为630.0 Ω，若认为调节电阻箱时滑动变阻器上的分压不变，计算可得电压表的内阻为________Ω(结果保留到个位)。
(4)如果此电压表是由一个表头和电阻串联构成的，可推断该表头的满刻度电流为________(填正确答案标号)。
A．100 μA B．250 μA
C．500 μA D．1 mA
[解析]　(1)本实验测电压表的内阻，实验中电压表示数变化不大，则接入电阻箱后电路的总电阻变化不大，故需要滑动变阻器的最大阻值较小，故选R1可减小实验误差。
(2)滑动变阻器为分压式，连接实物电路如图所示。

(3)电压表和电阻箱串联，两端电压分别为2.00 V和0.50 V，则RV＝4R＝2 520 Ω。
(4)电压表的满偏电流Ig＝＝ A≈1 mA，故选项D正确。
[答案]　(1)R1　(2)见解析图　(3)2 520　(4)D

用“差值法”测电阻
1．电流表差值法

(1)原理：如图所示，将电流表与定值电阻R0并联再与电流表串联，根据I1r1＝(I2－I1)R0，求出内阻r1。
(2)条件：①电流表的量程小于电流表的量程。②R0已知。
(3)结果：r1＝或R0＝(用于r1已知，测量R0)。
2．电压表差值法
(1)原理：如图所示，将电压表与定值电阻R0串联再与电压表并联，根据U2＝U1＋R0，求出电压表的内阻。

(2)条件：①电流表的量程大于电流表的量程。②R0已知。
(3)结果：r1＝R0或R0＝r1(用于r1已知，测量R0)。
[典例示法]　(2018·全国卷Ⅲ)一课外实验小组用如图所示的电路测量某待测电阻Rx的阻值，图中R0为标准定值电阻(R0＝20.0 Ω)；可视为理想电压表；S1为单刀开关，S2为单刀双掷开关；E为电源；R为滑动变阻器。采用如下步骤完成实验：
(1)按照实验原理线路图(a)，将图(b)中实物连线；

图(a)　　　　　　　　图(b)
(2)将滑动变阻器滑动端置于适当的位置，闭合S1；
(3)将开关S2掷于1端，改变滑动变阻器滑动端的位置，记下此时电压表的示数U1；然后将S2掷于2端，记下此时电压表的示数U2；
(4)待测电阻阻值的表达式Rx＝________(用R0、U1、U2表示)；
(5)重复步骤(3)，得到如下数据：

1
2
3
4
5
U1/V
0.25
0.30
0.36
0.40
0.44
U2/V
0.86
1.03
1.22
1.36
1.49

3.44
3.43
3.39
3.40
3.39
(6)利用上述5次测量所得的平均值，求得Rx＝________Ω。(保留1位小数)
[解析]　(1)依电路图连接实物图如图。

(4)由于电压表可视为理想电压表且滑动变阻器滑动端的位移不变时，通过R0和Rx电流不变，因此有＝，待测电阻阻值的表达式Rx＝R0。
(6)将数据代入Rx＝R0，求平均值得Rx＝48.2 Ω。
[答案]　(1)见解析图　(4)R0　(6)48.2

电桥法测电阻
电桥法是测量电阻的一种特殊方法，其测量原理电路如图所示，实验中调节电阻箱R3，当A、B两点的电势相等时，R1和R3两端的电压相等，设为U1。同时R2和Rx两端的电压也相等，设为U2，根据欧姆定律有＝，＝，由以上两式解得R1Rx＝R2R3，这就是电桥平衡的条件，由该平衡条件可求出被测电阻Rx的阻值。

在上面的电路中：
(1)当＝时，UAB＝0，IG＝0。
(2)当<时，UAB>0，IG≠0，且方向：A→B。
(3)当>时，UAB<0，IG≠0，且方向B→A。
[典例示法]　(2017·全国卷Ⅱ)某同学利用如图(a)所示的电路测量一微安表(量程为100 μA，内阻大约为2 500 Ω)的内阻。可使用的器材有：两个滑动变阻器R1、R2(其中一个阻值为20 Ω，另一个阻值为2 000 Ω)；电阻箱RZ(最大阻值为99 999.9 Ω)；电源E(电动势约为1.5 V)；单刀开关S1和S2。C、D分别为两个滑动变阻器的滑片。

图(a)
(1)按原理图(a)将图(b)中的实物连线。

图(b)
(2)完成下列填空：
①R1的阻值为________Ω(选填“20”或“2 000”)。
②为了保护微安表，开始时将R1的滑片C滑到接近图(a)中滑动变阻器的________端(选填“左”或“右”)对应的位置；将R2的滑片D置于中间位置附近。
③将电阻箱RZ的阻值置于2 500.0 Ω，接通S1。将R1的滑片置于适当位置，再反复调节R2的滑片D的位置。最终使得接通S2前后，微安表的示数保持不变，这说明S2接通前B与D所在位置的电势________(选填“相等”或“不相等”)。
④将电阻箱RZ和微安表位置对调，其他条件保持不变，发现将RZ的阻值置于2 601.0 Ω时，在接通S2前后，微安表的示数也保持不变。待测微安表的内阻为________Ω(结果保留到个位)。
(3)写出一条提高测量微安表内阻精度的建议：
_____________________________________________________________
____________________________________________________________。
[解析]　(1)实物连线如图所示。

(2)R1起分压作用，应选用最大阻值较小的滑动变阻器，即R1的电阻为20 Ω；为了保护微安表，闭合开关前，滑动变阻器R1的滑片C应移到左端，确保微安表两端电压为零；反复调节D的位置，使闭合S2前后微安表的示数不变，说明闭合后S2中没有电流通过，B、D两点电势相等；将电阻箱RZ和微安表位置对调，其他条件保持不变，发现将RZ的阻值置于2 601.0 Ω时，在接通S2前后，微安表的示数也保持不变。说明＝，解得RμA＝2 550 Ω。
(3)要提高测量微安表内阻的精度，可调节R1上的分压，尽可能使微安表接近满量程。
[答案]　(1)见解析图　(2)①20　②左　③相等　④2 550　(3)调节R1上的分压，尽可能使微安表接近满量程