利用铅笔芯自制教具探究影响导体电阻的因素

倪 荣 朱 念

(贵州省六盘水市第七中学,贵州 六盘水 553000)

1 问题背景

在参加市优质课评比活动中,笔者选择人教版高中物理必修第三册第十一章第2节“导体的电阻”作为参赛课题。[1]《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》的内容要求为：通过实验,探究并了解金属导体的电阻与材料、长度和横截面积的定量关系。通过I-U图像了解材料的电阻特性。[2]《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)解读》的说明为：要求学生通过实验探究了解金属导体的电阻与材料、长度和横截面之间的定量关系,理解电阻定律及其表达式,在实验探究中经历问题、证据、解释与交流等科学探究的过程,体验用图像法处理数据的科学方法,促进实验探究能力的提升。[3]通过研读教材、做教材所提供的参考实验发现,在接通电源后镍铬丝发热对电阻影响较大,同时在探究面积因素时发现电表指针偏转角度较小,这样就使实验误差较大,国家基础教育资源服务平台精品课“导体的电阻”课例中实验误差也较大。鉴于此,笔者力求找到相对镍铬丝发热对电阻影响小且电阻较大的导体,参考大量文献后最终确定利用2B铅笔芯来完成本节实验探究。[4-8]

2 实验过程

2.1 实验准备

实验器材为： 2B铅笔、HB铅笔、电池、开关、直流电压表、导线等。

利用万用表选择28支电阻相同的2B铅笔,并将选择好的2B和HB铅笔削成长度和两端形状一致(图1)。

图1

2.2 探究导体电阻与长度的关系

2.2.1 器材组装

将削好的6支2B铅笔、1支HB铅笔、电池、开关等按图2连接,其中HB铅笔作为保护电阻,还可以探究导体电阻与材料的关系。

图2

2.2.2 采集数据

图2中每支铅笔的长度为L0,利用电压表依次测量出1支铅笔、2支铅笔、3支铅笔……6支铅笔两端电压(表 1)。

表1

2.2.3 数据处理

图3

2.2.4 实验结论

从图3中可得出结论：在实验误差范围内,横截面积相同的同种材料导体的电阻R与长度L成正比。在实验中还测得HB铅笔两端电压为0.57 V,与1支2B铅笔两端电压不同,表明导体的电阻与材料有关。

2.3 探究导体的电阻与横截面积的关系

2.3.1 器材组装

将21支2B铅笔、电池、开关、直流电压表按图4组装,并按图5连接电路。

图4

图5

2.3.2 采集数据

每支铅笔芯的横截面积为S0,用电压表依次测出一支铅笔、2支铅笔并联、3支铅笔并联……6支铅笔并联的两端电压,记录相关数据(表2)。

表2

2.3.3 数据处理

图6

2.3.4 实验结论

从图6中可得出结论：在实验误差范围内,相同长度的同种材料导体的电阻R与横截面积S的倒数成正比。

综上所述,我们完成了影响导体因素的定量探究,并得到实验结论：对于同种材料的导体,其电阻R与它的长度L成正比,与它的横截面积S成反比,导体的电阻还与构成它的材料有关。

3 结语

在本节课的教学中学生按照上述方案,通过分组实验测得数据、绘制图像,定量探究了影响导体电阻的因素。本实验的优势在于可以让长度及横截面积可视化,增加实验的可信度。实验所用铅笔电阻较大,不需要滑动变阻器,降低了连线的难度。在实验时电流小、发热少,可认为铅笔芯的电阻不变,减小了电阻变化引起的误差,相比教材中的实验,误差较小,具有较强的说服力。