第十一章 电路及其应用 学习活动设计五：测一测所买导线的电阻率

第十一章《电路及其应用》学习活动设计五：测一测所买导线的电阻率
　　课堂教学：
　　【任务情境】
　　为建筑模型电路购买的导线，想知道导线的电阻率，该如何测量呢？
　　
　　预测学生回答：由电阻定律，得导体的电阻率
　　1.测量导体的长度。
　　2.测量导体的横截面积。
　　3.测量导体的电阻。
　　教师活动：引导学生得出本节课的实验思路
　　【学习任务一】设计实验电路
　　学生活动：小组合作，讨论与交流，并设计实验测量电路
　　教师活动：及时对学生描述进行评价，引导学生从设计思路出发，画出实验电路图
　　提问1：电流表采用内接法还是外接法？
　　引导学生分析：待测量导线电阻与电流表、电压表的电阻大小关系
　　得出结论：电压表对测量的影响要小，因此选择电流表外接法
　　提问2：实验要求尽可能测量多组数据，滑动变阻器采用分压式接法还是限流式接法更好？
　　引导学生分析：滑动变阻器最大阻值跟待测导线电阻差别不大，若选用限流式接法，可以提供的电压调节范围大约为2-3V，若选用分压式接法，可以提供的电压调节范围大约为0-3V，可以满足实验采集多组数据描点绘图。
　　得出结论：本实验选用分压式接法。
　　
　　
　　设计意图：给予学生思考的空间，让学生主动交流、探究，而不是直接把电路图给学生，更好地保证学生探究意识与探究能力的提升，为学生核心素养的培养提供更大助力。
　　【学习任务二】选择实验器材
　　学生活动：根据实验思路及实验电路，小组讨论交流，得出实验需要测量的物理量及测量工具的选用，
　　提问1：为了尽可能准确地测量电流和电压，电流表、电压表应该选择什么量程？
　　提示：实验电源为两节干电池，导线电阻大概几欧姆
　　预测学生回答：因为电源电压约为3V，因此电压表选择0-3V量程，估测电路中最大电流约为0.3A，因此电流表选择0-0.6A量程
　　提问2：测量导线的长度和横截面积，分别选用什么长度测量工具？
　　预测学生回答：毫米刻度尺、螺旋测微器
　　实验器材：两节干电池，电流表（0-0.6A）、电压表（0-3V），滑动变阻器（最大阻值5Ω），一段待测导线，一个开关、若干导线、螺旋测微器、毫米刻度尺
　　设计意图：培养学生严谨科学的实验态度，只有更合适的实验测量工具，才能测量出更准确的实验数据。
　　【学习任务三】测量导线的长度、横截面积、电阻
　　学生活动：分组进行实验。
　　教师活动：强调实验注意事项，巡回指导
　　实验一：测量导线的长度、横截面积
　　1.长度测量
　　截取一段导线，用毫米刻度尺测量接入电路中的被测导线的有效长度，反复测量多次，得到有效长度的平均值l。
　　
　　导线的有效长度=l___________
　　2.直径测量
　　用螺旋测微器在被测导线上的三个不同位置各测一次直径，求出其平均值d，计算出导线的横截面积。
　　
　　导线的面积S=___________
　　实验二：测量导线的电阻
　　1.按照实验原理电路图，连接好用伏安法测电阻的实验电路
　　2.把滑动变阻器的滑动片调节到使接入电路中的电阻值最大的位置，电路经检查确认无误后，闭合开关S
　　3.改变滑动变阻器滑动片的位置，读出几组相应的电流表、电压表的示数I和U的值，记入表格内，断开开关S。
　　
　　4.拆去实验线路，整理好实验器材。
　　设计意图：引导学生在实际操作中进一步熟练长度测量工具的使用及伏安法测电阻，引导学生培养在物理实验中如实记录数据、实事求是的科学态度。同时小组合作实验操作增强学生的协同意识与合作精神。
　　【学习任务四】实验数据处理
　　教师活动：引导学生分析求导线电阻的方法：
　　1.用分别算出各次的数值，再取平均值。
　　2.画出U-I图线，求出图线的斜率即导线的电阻。
　　学生活动：交流讨论得出结论：用图像法求导线的电阻
　　学生活动：小组合作描点作图，根据画出的U-I图线，求出导线的电阻
　　将记录的数据Rx、l、S的值代入电阻率计算式。
　　设计意图：让学生经历用图像处理数据的过程，体会不同方法对实验结果的影响，体会数学方法在物理研究中的应用及意义。
　　【学习任务五】实验误差分析及注意事项分析
　　教师活动：引导学生分析，对学生的回答及时进行评价
　　学生活动：小组交流讨论
　　造成实验误差的原因，预测可能的回答：
　　1．金属丝的横截面积是利用直径计算而得，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。
　　实验注意事项，预测可能的回答：
　　1．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、待测金属导线、滑动变阻器连成主干线路，然后再把电压表并联在待测金属导线的两端。
　　2．测量被测金属导线的有效长度，是指测量待测导线接入电路的两个端点之间的长度，亦即电压表两端点间的待测导线长度，测量时应将导线拉直，反复测量三次，求其平均值。
　　3．测金属导线直径一定要选三个不同部位进行测量，求其平均值。
　　4．闭合开关S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。
　　5．在用伏安法测电阻时，通过待测导线的电流强度I不宜过大（电流表用0～0.6A量程），通电时间不宜过长，以免金属导线的温度明显升高，造成其电阻率在实验过程中逐渐增大。
　　6．画U-I图象求电阻，在描点时，要尽量使各点间的距离拉大一些，连线时要尽可能地让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。
　　设计意图：使学生养成严谨的实验态度和对待科学的态度，培养学生良好实验习惯、提高学生实验素养，形成自觉遵守实验操作规程和谨慎操作的习惯。
　　【学习小结】
　　1.实验原理
　　2.实验电路的选择：电流表内接、滑动变阻器分压式接法，选择的原因是什么？
　　3.实验误差分析及注意事项
　　【学习评价自测】
　　1．（多选）在“测定金属的电阻率”的实验中，以下操作中错误的是（ ）
　　A．用米尺测量金属丝的全长，且测量三次，算出其平均值，然后再将金属丝接入电路中
　　B．用螺旋测微器在金属丝三个不同部位各测量一次直径，算出其平均值
　　C．用伏安法测电阻时，采用电流表内接法，多次测量后算出平均值
　　D．实验中应保持金属丝的温度不变
　　答案：AC
　　解析：实验中应测量出金属丝接入电路中的有效长度，而不是全长；金属丝的电阻很小，与电压表内阻相差很大，使金属丝与电压表并联，电压表对它分流作用很小，应采用电流表外接法。故A．C操作错误。
　　2．在“测定金属丝的电阻率”的实验中，某同学进行了如下测量：
　　（1）用毫米刻度尺测量接入电路中的被测金属丝的有效长度。测量3次，求出其平均值l。其中一次测量结果如图甲所示，金属丝的另一端与刻度尺的零刻线对齐，图中读数为________cm。用螺旋测微器测量金属丝的直径，选不同的位置测量3次，求出其平均值D。其中一次测量结果如图乙所示，图中读数为________mm。
　　
　　甲 乙
　　（2）采用如图所示的电路测量金属丝的电阻。电阻的测量值比真实值________（选填“偏大”或“偏小”）。最后由公式ρ＝________计算出金属丝的电阻率（用直接测量的物理量表示）。
　　
　　（3）请你根据电路图在实物图中进行实物连线。（电流表选0.6A量程，电压表选3V量程）
　　
　　
　　答案：（1）24.12～24.14 0.515～0.518
　　（2）偏小 （3）见解析图
　　解析：（1）金属丝的长度为24.12～24.14cm
　　直径读数为0.515～0.518mm。
　　（2）采用安培表外接法，由于电压表的内阻不是无穷大，电压表有分流，从而电流表的测量值大于真实值，由可知，电阻的测量值小于真实值。
　　由，，，可得。
　　（3）实物连接如图所示。
　　
　　
　　3．现在要测量一段电阻丝的电阻率ρ，电阻丝的阻值Rx≈0.5Ω，允许通过的最大电流为0.5A。现提供如下器材：
　　
　　（1）下面四位同学分别设计的“测量部分”的电路，你认为合理的是________。

　　
　　A B
　　C D
　　（2）实验中滑动变阻器应该选择________（选填“R1”或“R2”），并采用________接法。
　　（3）根据你在（1）、（2）中的选择，在图中完成实验电路的连接。
　　（4）实验中，如果两电表的读数分别为U和I，测得拉直后电阻丝的长度为L，直径为D，则待测电阻丝的电阻率ρ的计算式为ρ＝________。
　　（5）用螺旋测微器测量待测电阻丝的直径时读数如图所示，则该电阻丝的直径D＝________mm。
　　答案：（1）C （2）R1 分压 （3）见解析图
　　（4） （5）1.205（±0.002）
　　解析：（1）电阻丝Rx两端的最大电压U＝IRx＝0.25V，比电压表量程小得多，需要串联一分压电阻，即串联一标准电阻R0，此时，电流表采用外接法，选项C正确。
　　（2）滑动变阻器若选用R2或采用限流接法，调控范围小，应选择R1，并采用分压接法。
　　（3）根据测量电路图和滑动变阻器的分压式接法，实物连线如图所示。
　　（4）待测电阻，由电阻定律得，联立解得。
　　（5）螺旋测微器的读数为1mm＋0.01×20.5mm＝1.205mm。