2019-2020年高中物理 實(shí)驗(yàn)手冊(cè) 第二部分 實(shí)驗(yàn)10 測(cè)定金屬的電阻率.doc

2019-2020年高中物理 實(shí)驗(yàn)手冊(cè) 第二部分 實(shí)驗(yàn)10 測(cè)定金屬的電阻率實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.學(xué)習(xí)伏-安法測(cè)電阻，掌握測(cè)定金屬電阻率的方法。2.復(fù)習(xí)螺旋測(cè)微器的使用。3.研究由于電表的接入而造成的系統(tǒng)誤差及克服方法。實(shí)驗(yàn)儀器伏特表，安培表，直流電源，滑動(dòng)變阻器，螺旋測(cè)微器，米尺，金屬電阻絲（50cm100cm），電鍵及導(dǎo)線。實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)電阻定律，一段金屬絲的電阻值: R = （1）其中L為金屬絲長(zhǎng)度，S為橫截面積， 為金屬電阻率，這是一個(gè)用來(lái)表示物質(zhì)電阻特性的物理量，電阻率反映了物質(zhì)對(duì)電流阻礙作用的屬性。電阻率大則說(shuō)明這種材料的導(dǎo)電性能差，電阻率小則說(shuō)明這種物質(zhì)的導(dǎo)電性能好。如銅和鋁的電阻率分別為0.017歐毫米2/米和0.028歐毫米2米(在200C)，而絕緣體的電阻率非常大，其數(shù)量級(jí)一般都在1012-1022歐毫米2/米之間。例如常用的絕緣材料硬橡膠其電阻率為1019-1022歐毫米2/米。必須指出的是電阻率不僅與導(dǎo)體的材料有關(guān)，還和導(dǎo)體的溫度有關(guān)。一般溫度升高時(shí)電阻率隨之增大，從而使導(dǎo)體的電阻值變大。這種效應(yīng)在導(dǎo)體中通過(guò)電流使導(dǎo)體升溫時(shí)尤為明顯。例如220伏，100瓦的白熾燈泡，其熱電阻為484歐姆，而不通電時(shí)的冷電阻只有40歐姆左右。從（1）式可導(dǎo)出 （2）由（2）式可以看出，如果測(cè)出某金屬絲的長(zhǎng)度、橫截面積和對(duì)應(yīng)的電阻值，就可以計(jì)算出這種材料的電阻率。對(duì)于給定的電阻絲（實(shí)際上是一段合金電阻絲），我們用米尺量出其長(zhǎng)度，用螺旋測(cè)微器測(cè)出它的直徑代入公式 S= ，然后計(jì)算出其橫截面積，用歐姆定律 R = U/I計(jì)算出電阻。把測(cè)量出的物理量代入公式（2），可求出電阻絲的電阻率。測(cè)電阻的方法是通過(guò)伏特表和安培表測(cè)出加在電阻絲兩端的電壓和流過(guò)電阻絲的電流，然后借助于歐姆定律間接求出的，所以稱為“伏安法測(cè)電阻”。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)1. 用螺旋測(cè)微器測(cè)金屬絲直徑可以提高測(cè)量的精確度，可以讀到毫米的千分位。2. 電流可控制在0.20-0.60安培之間。因?yàn)殡娏鬟^(guò)小，電表誤差過(guò)大（1/3量程以上為有效），而電流太大時(shí)（比如2安培）導(dǎo)線上的熱功率也大，那么導(dǎo)體的熱漲冷縮和電阻率隨溫度升高而變大這兩種效應(yīng)都可增大實(shí)驗(yàn)誤差。3. 由于一般電阻絲電阻為幾歐姆，考慮到便于調(diào)節(jié),可使用050歐姆的滑線變阻器，電源可選用3伏的電壓, 這樣即可將電流控制在0.20-0.60安培之間，又便于均勻調(diào)節(jié)。安培表應(yīng)選用0-0.60安的檔，伏特表選用0-3伏檔。4. 采用伏-安法測(cè)電阻，由于儀表的接入而改變了原來(lái)（不接入電表時(shí)）的電路結(jié)構(gòu)。這就不可避免的要造成系統(tǒng)誤差。如圖3-1和圖32所示，在用伏安法測(cè)電阻時(shí)伏特表與安培表有兩種不同的接法，我們稱圖31中的接法為安培表外接，圖32中的接法為安培表內(nèi)接。 圖31圖32VARR0VARR0借助于歐姆定律計(jì)算電阻R時(shí)，公式R = U/I中的電壓和電流本意是指R兩端的電壓和流過(guò)R上的電流，但從圖31和圖32中可以的看出：安培表外接時(shí)電流的測(cè)量值大于R中的電流值；安培表內(nèi)接時(shí)電壓的測(cè)量值大于R兩端的電壓值，這樣用上述兩電路測(cè)出的電壓和電流值及計(jì)算出的電阻R都偏離其真實(shí)值，這種誤差屬于系統(tǒng)誤差。那么在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)采用哪個(gè)電路呢？一般50100厘米的電阻絲Rx的電阻約為幾歐。0.6A檔安培表的內(nèi)阻RA一般約為0.1歐多些，3V檔伏特表的內(nèi)阻Rv一般約為三千歐以上。根據(jù)以上參數(shù)可以估算出安培表外接時(shí)，伏特表與R的分流比大約為1：600。安培表內(nèi)接時(shí)，安培表與R的分壓比大約為1：50，相比之下明顯看出采用安培表外接誤差要小。上述分析問(wèn)題的方法請(qǐng)同學(xué)們務(wù)必掌握，因?yàn)樵陔妼W(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常要遇到這類電路的選擇問(wèn)題。操作要求1. 通電時(shí)，電流不宜過(guò)大，否則電阻絲溫升過(guò)高導(dǎo)致電阻率變大，造成實(shí)驗(yàn)誤差較大。2. 測(cè)量金屬絲直徑時(shí)，應(yīng)選金屬絲的三個(gè)不同部位進(jìn)行。3. 用米尺對(duì)金屬絲長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，為克服米尺刻度的不均勻性，最好選三個(gè)不同的刻度作為測(cè)量的起點(diǎn)。如全長(zhǎng)約50厘米，第一次測(cè)長(zhǎng)度時(shí)以10厘米刻度線為起點(diǎn)，第二次可從20厘米刻度線為起始線。4. 金屬絲被選用部分的兩端點(diǎn)處要磨光潔，使其無(wú)油污或氧化物以減少接觸電阻。5. 實(shí)驗(yàn)開始前注意滑動(dòng)變阻器阻值要調(diào)到最大。實(shí)驗(yàn)步驟1測(cè)三次長(zhǎng)度，然后取平均值L。2. 用螺旋測(cè)微器測(cè)三次金屬絲的直徑，然后取平均值D。3按圖31所示電路接線，用伏安法測(cè)三次電阻，分別為R1、R2、R3，取其平均值R=（R1+R2+R3）/3。4. 將長(zhǎng)度、直徑和電阻的平均值L、D和R代入公式 問(wèn)題討論1. 本實(shí)驗(yàn)是用什么方法測(cè)電阻絲電阻的？電阻的測(cè)量值與真值之間的誤差是怎樣產(chǎn)生的？2. 若被測(cè)電阻Rx阻值較大，例如Rx約為1.5千歐左右，應(yīng)采用安培表外接電路還是安培表內(nèi)接電路？試分析。3. 設(shè)安培表外接電路為電路A，安培表內(nèi)接電路為電路B?，F(xiàn)有兩個(gè)未知電阻R1與R2,，用歐姆表粗測(cè)可知R1為10歐左右，R2接近1千歐，那么測(cè)R1應(yīng)選電路。測(cè)R2應(yīng)選電路。4. 設(shè)上題中安培表內(nèi)阻為RA，伏特表內(nèi)阻為RV，測(cè)R1時(shí)兩表讀數(shù)分別為U1、I1，測(cè)R2時(shí)兩表讀數(shù)分別為U2、I2。那么R1和R2的真值應(yīng)分別表示為R1= ，R2=。