师:同学们,今天我们来学习高中物理第三册第三章第二节——决定导体电阻大小的因素。本节课重点关注培养大家的物理学科核心素养。
在初中,我们已学习电阻相关知识,知道电阻是导体本身特性,用于描述导体对电流的阻碍作用,电阻越大,阻碍作用越大。在温度不变时,电阻大小与导体两端电压和通过的电流无关。那么,导体电阻大小究竟与哪些因素有关呢?
我们来看生产生活中的例子:远距离输电会有很大电能损耗;高压电缆与普通导线粗细不同;有些精密仪器用白银做导线。从这些例子不难猜想,导体电阻大小可能与长度、横截面积及材料有关。
所以,本次实验目的是定量研究在温度不变情况下,导体电阻大小与导体长度(l)、横截面积(s)以及材料的关系。由于涉及物理量较多,本实验采用控制变量法,即每次只改变一个因素,控制其余因素不变,研究该改变因素对事物的影响。
确定实验方法后,设计实验方案首要解决如何测定电阻大小。相信聪明的同学已想到用伏安法测电阻,利用所示电路图进行探究。图中(BC)是待测导线,闭合开关,调节滑动变阻器,测出导体两端电压和通过的电流。根据欧姆定律(R = \frac{U}{I}),可求出导线电阻。分别测量三次,取平均值作为导线电阻测量值。
以实验电路图为依据,本次实验需要电压表、电流表、导线、滑动变阻器、开关、学生电源和长约一米的导线架。实验采用市面常见的合金导线,有四种:一种是直径为(0.6)毫米的镍铬合金导线,另外三种是直径分别为(0.6)、(0.8)、(1.0)毫米的锰铜合金导线。
实验准备就绪,开始实验探究:
实验步骤一:根据电路图连接实验仪器,连接滑动变阻器时要注意连接上下两个接线柱,电路连接好后,确保开关断开。
实验步骤二:测量三根材料、横截面积相同,长度不同的导线电阻值。选用直径为(0.6)毫米的锰铜合金导线,在导线架上标注好长度记号。这组实验分别测量长度为(3L)、(2L)和(L)的导线阻值。
首先测量直径为(0.6)毫米、长度为(3L)的锰铜合金导线电阻值。实验前将滑动变阻器移到电阻最大处以保护电路。准备就绪后,打开学生电源,闭合开关,移动滑动变阻器,待指针稳定后,记录电压表、电流表读数。为保证导线温度稳定,记录数据后立即断开开关。这组实验选取量程为(3)安的电流表和量程为(3)伏的电压表,按读数规则得到一组实验数据。根据欧姆定律(R = \frac{U}{I}),求得此次导线电阻阻值为(1.308)欧姆(本次实验所有计算结果均保留(4)位有效数字)。然后闭合开关,进行第二次测量,再次移动滑动变阻器,待电表指针稳定后,记录实验数据。用同样方法得到第三次实验数据,取三次实验数据平均值作为这组实验导线电阻测量值,并记录在书本(61)页表格中。
接下来将导线夹位置移动到长度为(2L)的标志处,同样用伏安法进行三次测量,得到实验数据,求平均值并记录数据。步骤二最后一个环节是测量这根导线长度为(L)时的电阻,再次用伏安法进行三次测量,得到实验数据,求平均值并记录数据。这样,探究导体长度对电阻大小影响的这组实验结束。
步骤三:测出三根材料、长度相同,横截面积不同的导线电阻值。本组实验选用长度均为(3L)的锰铜合金导线,直径分别为(0.6)毫米、(0.8)毫米和(1.0)毫米。根据导线横截面积计算公式(s = \pi r^2),可求得这三根导线横截面积之比是(9 : 16 : 25)。由于第一组实验已完成对长为(3L)、直径为(0.6)毫米导线电阻的测量,因此本组实验只需对直径为(0.8)毫米和(1.0)毫米的导线进行测量。
开始第二组实验,将直径为(0.8)毫米的锰铜合金导线连接到导线架上,导线夹放置到(3L)位置,用伏安法开始测量,得到(3)组实验数据,求平均值并记录数据。
最后换上直径为(1.0)毫米的导线进行测量,得出三组数据,求平均值并记录实验数据。至此,探究导体横截面积对电阻大小影响的这组实验结束。
最后一组实验是比较两根材料不同、横截面积和长度相同的导线在电流相同情况下电压大小。选用直径均为(0.6)毫米的镍铬合金导线和锰铜合金导线进行探究。
先对锰铜合金导线进行测量,闭合开关,移动滑动变阻器,记录下电流表在(0.50)安、(1.00)安和(1.50)安时电压表的读数。最后换上直径为(0.6)毫米的镍铬合金导线,导线夹放置到(3L)位置进行测量,调节滑动变阻器,记录下电流表偏转到(0.50)安、(1.00)安和(1.50)安时电压表的读数。注意,在后两次测量中,由于电压较大,将电压表量程换为(15)伏特。从表格中可看到,相同电流下镍铬合金导线的电压值均大于锰铜合金导线的电压值,说明同长度、同横截面积的镍铬合金导线电阻大于锰铜合金导线的电阻。还发现相同电流下三组的电压之比分别为(0.4452)、(0.4419)和(0.4651),比值大小很接近。
至此,所有实验探究步骤完成。将实验探究过程中得到的实验数据填入书本(61)页实验表格,开始数据处理。我们将实验数据分成三组,分别对应研究长度、横截面积和材料对导体电阻大小的影响。同学们,根据实验数据及结果能得到什么结论呢?
