用DIS實驗探究“電阻定律”

徐立海

(玉環楚門中學,浙江 玉環 317605)

1 實驗器材

(1)自制的電阻定律學生實驗板(8弦古箏)

在自制的學生實驗板(約 120 cm×45 cm)上,一共有8根鐵鉻鋁合金絲,長都為1 m,它們的線徑分別為0.25 mm、0.30 mm 、0.40 mm 、0.45 mm 、0.50 mm 、0.55 mm 、0.70 mm、0.90 mm.利用8根金屬絲對應8組數據,可以繪制出比較準確、完整的圖線,從而根據圖像得出就更具有說服力.

在0.90 mm金屬絲的下方固定著一根自制的透明標尺,以此來測量金屬絲的長度,從而可以研究導體電阻與長度的定量關系.

(2)每小組(3人1組)都配備一套數字實驗系統

如圖1所示,每套系統包括測量電路,8弦古箏實驗板,DISLab數據采集器,手提電腦.

圖1

2 探究過程

探究“導體電阻與橫截面積的關系”

(1)設計方案

①實驗思路

導體電阻與長度、橫截面積、材料、溫度都有關系,那么,應該怎么研究導體電阻與橫截面積的關系呢?采用控制變量法,只改變橫截面積,而確保其他因素都不變.所以實驗要選定多根金屬絲,它們的長度、材料、溫度都相同,但粗細不同.故教師為每個實驗小組都準備了一架8弦“古箏”.在每塊面板上,一共有8根鐵鉻鋁合金絲,長都為1 m,它們的線徑分別為 0.25 mm、0.30 mm、0.40 mm、0.45 mm 、0.50 mm 、0.55 mm 、0.70 mm 、0.90 mm.

圖2

實驗需要測量電阻和橫截面積,它們應該如何測量呢?伏安法測金屬絲的電阻,利用電壓表和電流表測出其電壓U和電流I,然后根據計算得出;因為線徑D已知,橫截面積就可以根據計算得出.

②實驗電路

如圖2所示,圖中的電流表和電壓表實際上分別是電流傳感器和電壓傳感器.

③實驗表格

需要設計一張表格來記錄實驗數據,那么在表格中應填入哪些數據呢?如表 1所示有:線徑D,電壓 U、電流 I,電阻R,橫截面積S.表格中每根金屬絲的橫截面積S事先根據其線徑D的數據已經計算得到.另外,只要將采集到的8組 U、I數據填入表格中,設定好的 Execl程序就會自動計算出每根金屬絲的電阻R.

表1 研究導體電阻R與橫截面積S的關系

(2)采集數據

每個實驗小組,成員間相互合作,利用DISLab數據采集系統來獲取這8根金屬絲所對應的8組 U、I數據,然后將這些數據導入到編制好的Excel表格中,電腦就自動地計算得出每根金屬絲的電阻R,如表2所示.

表2 研究導體電阻R與橫截面積S的關系

(3)分析論證

師:實驗數據已經得到,這當中一定蘊涵著某種規律,那么如何來分析和處理這么多的實驗數據呢?

生:利用Excel繪制R與S的關系圖線(學生繪制得到圖線,如圖3所示).

圖3

圖4

師:根據圖線可以得出什么結論呢?

生:根據圖線得出,R與S可能成反比.

師:答得很對!根據這條曲線,我們還不能斷定 R與S成反比,現在只是猜測.那么,有沒有什么更好的方法來說明呢?能不能把圖像調整修改一下呢?

實驗結論:導體電阻R與橫截面積S成反比.

探究“導體電阻與長度的關系”

(1)設計方案

①實驗思路

為了探究“導體電阻與長度的關系”,需采用控制變量法,只改變長度,而確保其他因素都不變.用毫米刻度尺來測量金屬絲的長度 L,然后用伏安法來測金屬絲的電阻R.

②實驗電路

實驗應該怎么設計呢?.(此問題應讓學生充分思考,盡量讓學生回答,學生會有多種想法)

方案 1:如圖 5所示,受到前面的影響,這個方案學生較易想到,教師要肯定此方案是可行的,并指出還有更好的方法.

方案2:只用一根電阻絲,通過移動接觸點來改變導體長度,可以有兩種這樣的設計,如圖6、圖7所示.這是創新設計,教師要作適當的點評,表揚學生這是一種聰明的設計.并對實物連線要做相應的介紹.

圖5

圖6

圖7

③實驗表格

如表3所示,實驗需要采集6組長度不同的數據,長度分別為 10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm.通過數據采集系統獲得 6組 U、I數據并填入表格中,最后要求學生們繪制出R與L的關系圖線.

表3 研究導體電阻R與長度L的關系

(2)采集數據

每個實驗小組,成員間相互合作,通過移動接觸點來選取長度分別為 10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm 的導體,然后利用DISLab數據采集系統獲取6組 U、I數據并填入表格中,再將這些數據導入到編制好的Excel表格中,電腦就自動地計算得出每根金屬絲的電阻R,如表4所示.

表4 研究導體電阻R與長度L的關系

(3)分析論證

學生利用Excel繪制得到 R與L的關系圖線.由圖8可知,R與L的關系圖線是一條經過坐標原點的正比例直線,從而可以得出導體電阻R與長度L成正比關系.

圖8