高中 | 电表的改装 题目答案及解析

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选修3-1

第二章 恒定电流

2.4 串联电路和并联电路

电表的改装

某实验小组为测量一合金丝的电阻率,进行了如下实验:

用螺旋测微器测量合金丝的直径,如图所示,则合金丝的直径$d=$                  $\rm mm$

[]
[["$1.671$"]]

螺旋测微器精度为$\rm 0.01\ mm$,结合题中图像,可得直径$d=1.5\ \text{mm}+0.01\ \text{mm}\times17.1=1.671\ \text{mm}$

如图$1$所示,将合金丝${{R}_{x}}$固定在木板的两端,用带有金属夹$\rm A$$\rm B$的导线将合金丝接入如图$2$所示电路,实验器材如下:

$\rm A$.电源$E$(电动势$\rm 8\ V$,内阻约为$0.5\ \Omega$);

$\rm B$.电流表${{\text{A}}_{1}}$$0\sim10\ \text{mA}$,内阻$R_{\text{A}}=3\ \Omega$);

$\rm C$.电流表${{\text{A}}_{2}}$$0\sim300\ \text{mA}$,内阻很小);

$\rm D$.电阻箱(最大阻值$9999.9\ \Omega$);

$\rm E$.滑动变阻器${{R}_{\text{p}}}$(阻值$0\sim10\ \Omega$);

$\rm F$.开关$S$和导线若干。

现将电阻箱$R$与电流表${{\text{A}}_{1}}$改装为量程为$6V$的电压表,电阻箱的阻值应调为${{R}_{\text{0}}}=$                  $\Omega $

[]
[["$597.0$"]]

电流表${{\text{A}}_{1}}$改装为量程为$6V$的电压表需要串联一个电阻,根据改装原理有

$U={{I}_{\text{g}}}\left( {{R}_{\text{A}}}+{{R}_{0}} \right)$

整理得

$R_{\text{A}}+R_{0}=\dfrac{U}{I_{\text{g}}}=\dfrac{6}{10\times10^{-3}}\ \Omega$

解得

$R_{0}=597.0\ \Omega$

移动金属夹$\rm B$至适当位置,用刻度尺测量两金属夹之间合金丝的长度$L$,将滑动变阻器的滑片调至$a$端,闭合开关$\rm S$,移动滑动变阻器的滑片,使电流表${{\text{A}}_{2}}$的示数达到最大值${{I}_{\text{g}}}$,记录电流表${{\text{A}}_{1}}$的示数$I$

重复以上步骤,获得多组$I$$L$数据,作出$I-L$图像如图所示。则$I-L$图像的斜率$k=$                  $\rm mA/cm$(保留两位有效数字),合金丝的电阻率$\rho =$                  (用${{R}_{0}}$${{R}_{\text{A}}}$$k$$d$${{I}_{\text{g}}}$表示);

[]
[["$0.11$","$\\dfrac{k\\pi d^{2}\\left( R_{0}+R_{\\text{A}}\\right)}{4I_{g}}$"]]

根据$I-L$图像可知斜率为$k=\dfrac{\text{ }\Delta\text{ }I}{\text{ }\Delta\text{ }L}=\dfrac{9.0-3.0}{55.0}\ \text{mA/cm}\approx\text{0}.11\ \text{mA/cm}$,由于电流表${{\text{A}}_{2}}$内阻很小,可忽略其内阻,结合图$2$,根据串联、并联关系有${{I}_{\text{g}}}{{R}_{x}}=I\left( {{R}_{\text{A}}}+{{R}_{0}} \right)$,又因为${{R}_{x}}=\rho \dfrac{L}{S}=\rho \dfrac{L}{\pi \dfrac{{{d}^{2}}}{4}}$,整理得$\dfrac{4\rho {{I}_{\text{g}}}}{\pi {{d}^{{{2}^{{}}}}}\left( {{R}_{\text{A}}}+{{R}_{0}} \right)}L=I$,可知$I-L$图像斜率$k=\dfrac{4\rho {{I}_{\text{g}}}}{\pi {{d}^{{{2}^{{}}}}}\left( {{R}_{\text{A}}}+{{R}_{0}} \right)}$,故电阻率为$\rho =\dfrac{k\pi {{d}^{2}}\left( {{R}_{0}}+{{R}_{\text{A}}} \right)}{4{{I}_{g}}}$

本实验中,若电流表${{\text{A}}_{2}}$的内阻不能忽略,则电阻率的测量值                  真实值(选填“大于”“小于”或“等于”)。

[]
[["等于"]]

若电流表${{\text{A}}_{2}}$的内阻不能忽略,设其内阻为${{R}_{\text{A2}}}$,结合图$2$,根据串联、并联关系有${{I}_{\text{g}}}\left( {{R}_{x}}+{{R}_{\text{A2}}} \right)=I\left( {{R}_{\text{A}}}+{{R}_{0}} \right)$,又因为${{R}_{x}}=\rho \dfrac{L}{S}=\rho \dfrac{L}{\pi \dfrac{{{d}^{2}}}{4}}$,整理得$\dfrac{4\rho {{I}_{\text{g}}}}{\pi {{d}^{{{2}^{{}}}}}\left( {{R}_{\text{A}}}+{{R}_{0}} \right)}L+\dfrac{{{I}_{\text{g}}}}{\left( {{R}_{\text{A}}}+{{R}_{0}} \right)}{{R}_{\text{A2}}}=I$,可知$I-L$图像斜率与之前的斜率相同,故电阻率的测量值等于真实值。

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