Question

12．某同學要測量一均勻新材料制成的圓柱體的電阻率ρ．步驟如下：

（1）用游標為20分度的卡尺測量其長度如圖，由圖甲可知其長度為50.15mm；
（2）用螺旋測微器測量其直徑如圖，由圖乙可知其直徑為4.700mm；
（3）用多用電表的電阻“×10”擋，按正確的操作步驟測此圓柱體的電阻，表盤的示數如圖丙，則該電阻的阻值約為220Ω．
（4）該同學想用伏安法更精確地測量其電阻R，現有的器材及其代號和規(guī)格如下：
待測圓柱體電阻R；電流表A₁（量程0～4mA，內阻約50Ω）；
電流表A₂（量程0～10mA，內阻約30Ω）；電壓表V₁（量程0～3V，內阻約10kΩ）
電壓表V₂（量程0～15V，內阻約25kΩ）；直流電源E（電動勢4V，內阻不計）
滑動變阻器R₁（阻值范圍0～15Ω，允許通過的最大電流2.0A）；
滑動變阻器R₂（阻值范圍0～2kΩ，允許通過的最大電流0.5A）；開關S；導線若干．
為使實驗誤差較小，要求測得多組數據進行分析，請在圖丁中畫出測量的電路圖，并標明所用器材的代號．
（5）若該同學用伏安法跟用多用電表測量得到的R測量值幾乎相等，由此可估算此圓柱體材料的電阻率約為ρ=7.6×10^-2Ω•m．（保留2位有效數字）

Answer 1

分析 （1）20分度游標卡尺游標每一分度表示長度為0.05mm，由主尺讀出整毫米數，根據游標尺上第幾條刻度線與主尺對齊，讀出毫米的小數部分．
（2）螺旋測微器固定刻度最小分度為1mm，可動刻度每一分度表示0.01mm，由固定刻度讀出整毫米數包括半毫米數，由可動刻度讀出毫米的小數部分．
（3）電阻的測量值=指針指示值×倍率．
（4）電路分為測量電路和控制電路兩部分．測量電路采用伏安法．根據電壓表、電流表與待測電阻阻值倍數關系，選擇電流表外接法．變阻器若選擇R₂，估算電路中最小電流，未超過電流表的量程，可選擇限流式接法．

解答 解：（1）主尺讀數為50mm，游標上第3條刻度線與主尺對齊，讀數為3×0.05mm=0.15mm，
則長度為50.15mm．
（2）螺旋測微器固定刻度讀數為4.5mm，可動刻度讀數為0.200mm，則直徑為4.700mm．
（3）電阻的阻值R=22×10Ω=220Ω；
（4）電源電動勢為4V，電壓表選V₁．電阻中最大電流約為
${I}_{max}=\frac{E}{{R}_{A}+R}$=$\frac{4}{30+220}$A=16mA，則電流表選A₂．
因為R＜$\sqrt{{R}_{V}{R}_{A}}$，故選擇電流表外接法．
根據實驗要求便于調節(jié)且測得多組數據進行分析，可知變阻器應采用分壓式接法，應選擇阻值小的變阻器R₁以方便調節(jié)；

（5）由電阻定律R=$ρ\frac{L}{S}$，
且S=$\frac{1}{4}πwatetbj^{2}$，
代入解得ρ=7.6×10^-2Ω•m．
故答案為：（1）50.15；（2）4.700；（3）220；（4）如上圖所示；（5）7.6×10^-2．

點評 測量電阻最基本的原理是伏安法，電路可分為測量電路和控制電路兩部分設計．測量電路要求精確，誤差小，可根據電壓表、電流表與待測電阻阻值倍數關系，選擇電流表內、外接法．控制電路關鍵是變阻器的分壓式接法或限流式接法．在兩種方法都能用的情況下，為了減小能耗，選擇限流式接法．