师:同学们好,这节课我们来学习初中物理北师大版九年级全一册第12章第二节——根据欧姆定律测量导体的电阻。小明做实验需要一个10欧姆的电阻,老师给了他三个电阻,其中有一个是10欧姆的,但没标签和标记。同学们,你们能通过实验帮小明找出这个10欧姆的电阻吗?上节课我们学习了欧姆定律,知道通过导体的电流与导体两端的电压成正比,与导体的电阻成反比。由此,我们得到欧姆定律的计算公式$R = \frac{U}{I}$ 。对这个公式进行变形,还能得到$U = IR$和$R = \frac{U}{I}$两个变形公式。同学们思考一下,如果要计算电阻的阻值,需要知道哪些物理量呢?根据$R = \frac{U}{I}$可知,要计算未知电阻的阻值,需要知道未知电阻两端的电压和通过未知电阻的电流。那么如何测量这些物理量呢?要测量未知电阻两端的电压,需把电压表与未知电阻并联;要测量通过未知电阻的电流,要把电流表与未知电阻串联。接通电路后,读出电压表和电流表的示数,就是未知电阻两端的电压和通过未知电阻的电流。通过前面分析可知,测量未知电阻的阻值,要用电压表测出未知电阻两端的电压$U$,用电流表测出通过未知电阻的电流$I$,然后代入$R = \frac{U}{I}$,就能计算出未知电阻的阻值。我们把这种间接测量电阻的方法称为伏安法。这节课我们就来学习用伏安法测量导体的电阻,实验原理是$R = \frac{U}{I}$ 。
同学们,你们能根据前面的分析设计一个电路来测量未知电阻的阻值吗?
这是一位同学设计的伏安法测电阻的电路图,请同学们分析一下这个方案是否可行。根据实验原理,要测量未知电阻的阻值,需测出电阻两端的电压和通过电阻的电流,这个方案既能测出电阻两端的电压,又能测出通过电阻的电流,所以这个方案可行。在测量物理量时总会存在误差,为减小实验误差,需要多次测量取平均值。如果要多次测量,这个电路能满足要求吗?
针对这个电路,如果要多次测量,我们可以更换电源,改变电源电压来实现。但更换电源时,要换下原来的电源,重新接上新电源,比较复杂。如果不更换电源,怎么实现多次测量呢?在不更换电源的情况下,我们可以在原来的电路中串联一个滑动变阻器,也能实现多次测量。同学们,请拿出笔和纸,和老师一起来画伏安法测电阻的电路图。
这就是这个实验的电路图,同学们,你们画的和老师一样吗?有些同学画的电路元件位置可能和老师不一样,但只要除电压表外,其他元件都串联在电路中,把电压表并联在待测电阻两端,那画的电路图就是正确的。通过前面的学习,我们知道了这个实验的原理和电路图。
接下来要进行实验,实验前我们要先选择实验器材。同学们思考一下,做这个实验需要用到哪些实验器材呢?因为要测量未知电阻的阻值,所以要有一个未知的待测电阻。这是个电学实验,还需要提供电能的电源,控制电路通断的开关,起连接作用的导线。
这个实验要测量待测电阻的电压,所以需要电压表;要测量通过未知电阻的电流,还需要电流表。为多次测量,还需要滑动变阻器。这就是这个实验需要用到的实验器材。同学们思考一下,我们该怎么进行这个实验呢?实验步骤是怎样的?第一步,做实验时要先按电路图连接实物。连接电路过程中有几点需要注意:第一,连接电路前要观察电流表和电压表的指针是否指到0刻度线,如果没指到,需要调节调零旋钮,使指针指到0刻度线;如果指针已指到0刻度线,则不需要调零。
第二,连接电路过程中,开关要始终处于断开状态。第三,电流表和电压表要选择合适的量程。选量程一般分两种情况:第一种,若能估计被测电路中的电流和电压,就根据估计值选择合适量程;第二种,如果不能估计,就采用最大量程试触法选择合适量程。第四,连接电流表和电压表时,要注意正负接线柱不能接反,要使电流从正接线柱流入,负接线柱流出。第五,连接滑动变阻器时,要选择上面一个接线柱和下面一个接线柱同时接入电路,不能同时选择上面两个或下面两个接线柱接入电路。为保护电路,开关闭合前还应把滑动变阻器的阻值调到最大。第二步,检查电路无误后,闭合开关,调节滑动变阻器的滑片至适当位置,分别读出电压表的示数$U$和电流表的示数$I$,并记录在表格中。第三步,重复上述步骤两次,使电压表的示数为另外两个适当的值,记下相应的电流表的示数,分别填入表格中。第四步,根据记录的三组数据,利用$R = \frac{U}{I}$分别求出对应的电阻值,计算出它们的平均值,就是我们测量出的未知电阻的阻值。
同学们,接下来我们一起进行这个实验。
一、实验前观察电流表、电压表的指针是否指到零刻度线,经检查,电流表、电压表的指针已指零,不需要调零。按电路图顺序把实验器材摆放整齐。因为连接电路时开关应断开,所以摆放时先将开关断开。三、按电路图连接电路,一般从电源的正极开始顺次连接。连接滑动变阻器时要注意“一上一下”,不能“同上同下”。连接电流表时要注意量程选择,本实验中通过待测电阻的电流不超过0.6安培,所以选择小量程,还要注意电流表正负接线柱不能接反,连接电路时开关应处于断开状态。
把电压表并联在待测电阻两端,注意量程选择。由于本实验中待测电阻两端的电压不超过3伏,所以选择小量程,还要注意电压表正负接线柱不能接反。四、电路连接好后要检查电路,经检查,电路连接正确。为保护电路,开关闭合前要将滑动变阻器的滑片移到阻值最大端。
五、闭合开关进行实验。调节滑动变阻器,使电压表的示数为1伏,读出此时电流表的示数为0.1安培,断开开关,记录实验数据。把第一次实验数据记录在表格中,电压为1伏,电流为0.1安培。
闭合开关调节滑动变阻器,使电压表的示数为1.6伏,读出此时电流表的示数为0.16安培,断开开关,记录实验数据。把第二次实验数据记录在表格中,电压为1.6伏,电流为0.16安培。
