题目内容

10.超导是当今材料科学研究的重点,某大学超导实验室研制成功了钇钡铜氧(YBCO)超导线材,该线材在94K时,将呈现超导特征,但常温下,仍然为一般导体.实验小组为了测量常温下YBCO线材的电阻率;

①如图1,用多用电表×1Ω挡粗测其电阻为6Ω,用螺旋测微器测其直径为2.095±0.001mm,游标卡尺测其长度是36.2mm.
②实验室还备有实验器材如下:
A.电压表V1(量程3V,内阻约为15kΩ)
B.电压表V2(量程l5V,内阻约为75kΩ)
C.电流表A1(量程3A,内阻约为0.2Ω)
D.电流表A2(量程600mA,内阻约为1Ω)
E.滑动变阻器R1(0~5Ω,0.6A)
F.滑动变阻器R2(0~2000Ω,0.1A)
G.输出电压为3V的直流稳压电源E
H.电阻箱
I.开关S,导线若干
如图2,为了减小实验误差,需进一步测其电阻而采用伏安法,则上述器材中应选用的实验器材有(填代号)A、D、E、G、I.请在图3方框内设计最合理的电路图并实物连线.用该电路电阻的测量值小于真实值(选填大于、等于或小于).如果YBCO超导线材直径为D,长度为L,所测电压为U,电流为I,电阻率大小为(用字母表示)$\frac{πU{D}^{2}}{4IL}$.

分析 ①欧姆表指针示数与倍率的乘积是欧姆表示数;螺旋测微器固定刻度与可动刻度示数之和是螺旋测微器的示数;游标考查主尺示数与游标尺示数之和是游标卡尺的示数;
②根据电源电动势选择电压表,根据通过待测电阻的最大电流选择电流表,在保证安全的前提下,为方便实验操作,应选最大阻值较小的滑动变阻器;为准确测量电阻阻值,应测多组实验数据,滑动变阻器可以采用分压接法,根据待测电阻与电表内阻间的关系确定电流表的接法,作出实验电路图,然后根据电路图连接实物电路图;根据电流表的接反分析实验误差.

解答 解:①由图示螺旋测微器可知,固定刻度示数是2mm,
可动刻度示数是9.5×0.01mm=0.095mm,则螺旋测微器示数是2mm+0.095mm=2.095mm,故2.095±0.001mm;
由图示游标卡尺可知,主尺示数是3.6cm=36mm,游标尺示数是2×0.1mm=0.2mm,则游标卡尺示数是36mm+0.2mm=36.2mm;
②实验需要G电源,I开关与导线,电源电动势为3V,因此电压表应选:A.电压表V1(量程3V,内阻约为15kΩ);
通过待测电阻的最大电流约为I=$\frac{E}{R}$=$\frac{3V}{6Ω}$=0.5A,则电流表应选:D.电流表A2(量程600mA,内阻约为1Ω);
为保证电路安全方便实验操作,滑动变阻器应选:E.滑动变阻器R1(0~5Ω,0.6A);
故需要的实验器材是:A、D、E、G、I.
为测多组实验数据,滑动变阻器应采用分压接法,$\frac{R}{{R}_{A}}$=$\frac{6}{1}$=6,$\frac{{R}_{V}}{R}$=$\frac{15000}{6}$=250,$\frac{{R}_{V}}{R}$>$\frac{R}{{R}_{A}}$,
电流表应采用外接法,实验电路图如图甲所示,根据实验电路图连接实物电路图,
如图2所示;电流表采用外接法,由于电压表的分流作用,电流测量值偏大,
由R=$\frac{U}{I}$ 可知,待测电阻测量值比真实值小.
由电阻定律可知,R=ρ$\frac{L}{S}$=ρ$\frac{L}{π(\frac{D}{2})^{2}}$=ρ$\frac{4L}{π{D}^{2}}$,
因R=$\frac{U}{I}$,
则电阻率ρ=$\frac{πU{D}^{2}}{4IL}$.


故答案为:①2.095±0.001,36.2;
②A、D、E、G、I,电路图如图甲所示,实物图如2图所示;小于,$\frac{πU{D}^{2}}{4IL}$.

点评 选择实验器材时,要注意保证电路安全、注意所选实验器材方便实验操作;确定滑动变阻器的接法与电流表接法是正确设计实验电路的关键.

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