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1、2022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)康腯
1.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(50cm—100cm),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。電阻率大則說明這種材料
2、的導(dǎo)電性能差,電阻率小則說明這種物質(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
3、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)電阻的方法是通過伏特表和安培表測(cè)出加在電阻絲兩端的電壓和流過電阻絲的電流,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^小,電表
4、誤差過大(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0-50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(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3-2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3-1中的接法為安培表外
5、接,圖3-2中的接法為安培表內(nèi)接。
圖3-1
圖3-2
V
A
R
R0
V
A
R
R0
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R上的電流,但從圖3-1和圖3-2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50—100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
6、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題。
[操作要求]
1. 通電時(shí),電流不宜過大,否則電阻絲溫升過高導(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L全長(zhǎng)約50厘米,第一次
7、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3-1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=————————————。