师:同学们,这节课我们来学习高中物理必修3第三章第三节测量金属丝的电阻率第二课时。我们知道,输电线常用铜而非铁,集成电路焊接位置用锡,制作定值电阻用锰铜合金。选择这些材料,其中一个共同因素是它们的电阻率不同。那么,如何在实验室设计实验测量金属丝的电阻率呢?
上节课讲到,根据电阻定律(R = \rho\frac{l}{S})变形可得(\rho = \frac{RS}{l})。我们可以用毫米刻度尺测金属丝长度,用螺旋测微器测金属丝直径,再通过(S = \pi(\frac{d}{2})^2)算出横截面积。
那金属丝的电阻怎么得到呢?有同学想到,用电压表测金属丝两端电压,用电流表测流过金属丝的电流,然后通过(R = \frac{U}{I})得到电阻。这种测量方法叫伏安法测电阻,接下来重点讲伏安法测电阻的基本知识。
伏安法测电阻有两种测量电路。第一种,把电阻和电压表并联,电流表接在电压表外侧,叫电流表外接法;第二种,把电阻和电流表串联,电压表接在它们外侧,此时电流表在电压表两个接线柱内侧,叫内接法。
理想情况下,这两种测量电路结果相同。但实际中,电流表和电压表都不是理想电表,电压表内阻不是无穷大,会分流;电流表内阻不为(0),会分压。因为电压表和电流表分别有分流分压作用,所以两种方法测电阻都有误差。下面分析内接法和外接法的误差。
先看内接法,其误差来源是什么呢?看电路图,内接法中电流表和待测电阻直接串联,电流表测得的电流就是流过待测电阻的电流,所以电流表电流测准了。但电压表接在待测电阻和电流表外侧,测到的是两者总电压,即电流表分压了,电压表测得的不是待测电阻真实电压,误差来源就是电流表分压。电流表分压越少,测量越准确,所以这种接法适用于测大电阻。
接着看电压测量值,电压表接在外侧,测量值(U_{测}=U_R + U_A),大于待测电阻两端电压(U_R)。电流测量值,因为电流表与待测电阻串联,所以(I_A = I_R)。比较测量值和真实值,待测电阻测量值(R_{测}=\frac{U_{测}}{I_A}),真实值(R_{真}=\frac{U_R}{I_R}),可发现(R_{测} > R_{真})。这种接法适宜测大电阻,测量值偏大,总结为“大内偏大”。
再看外接法,其误差来源是什么呢?外接法中,电压表和待测电阻直接并联,测得电压是真实值。但电流表接在外侧,测到的是电压表和待测电阻总电流,电流表值偏大,误差来源是电压表分走一部分电流。希望电压表分得电流越少越好,所以这种接法适用于测小电阻。
电压测量值(U_{测}=U_R),电流测量值(I_{测}=I_R + I_V),大于待测电阻真实电流。电阻测量值和真实值关系,由上述表达式可知测量值小于真实值,总结为“小外偏小”。
再看内接法和外接法的选择,总体原则是大电阻选内接法,小电阻选外接法。电流表内阻一般几欧到几十欧,电压表内阻几千欧。若待测电阻几欧几十欧,认为是小电阻,选外接法;若几千欧,认为是大电阻,选内接法。若待测电阻几百欧,可用临界值法判断。
当(\frac{R_V}{R_X} = \frac{R_X}{R_a}),即(R_X = \sqrt{R_V\times R_a})时,内接法和外接法误差相差不大,(\sqrt{R_V\times R_a})叫电阻临界值。若待测电阻大于(\sqrt{R_V\times R_a}),认为是大电阻,选内接法;小于则选外接法。若待测电阻阻值未知,可选用试触法。
试触法的电路连接是,把待测电阻和电流表串联,电压表一个接线柱固定,另一个分别接在(a)端和(b)端,分别读出两次电流表和电压表读数。若(\frac{\Delta I}{I} < \frac{\Delta U}{U}),说明电流表分压厉害,待测电阻是小电阻,应选用外接法;若(\frac{\Delta I}{I} > \frac{\Delta U}{U}),说明待测电阻是大电阻,应选内接法。
总结来说,电流表和电压表都会有示数变化,变化大的电表要把读数测准。比如图中若电压表变化明显,就要把电压测准,接线柱就接在(a)端。
学习完伏安法测电阻,接着说测量金属丝电阻率的实验。实验目的:练习使用螺旋测微器,学会使用常用电学仪器;学会用伏安法测电阻,掌握测量金属丝电阻率的方法。实验原理是欧姆定律和电阻定律,用毫米刻度尺测金属丝长度,螺旋测微器测导线直径,伏安法测导体电阻,由(R = \rho\frac{l}{S})可得(\rho = \frac{RS}{l} = \frac{R\pi d^2}{4l})。实验电路图如图所示。实验器材有被测金属丝、毫米刻度尺、螺旋测微器、电压表、电流表、直流电源、电键、滑动变阻器、导线等。
