利用鉛筆芯自制教具探究影響導體電阻的因素

倪 榮 朱 念

(貴州省六盤水市第七中學,貴州 六盤水 553000)

1 問題背景

在參加市優質課評比活動中,筆者選擇人教版高中物理必修第三冊第十一章第2節“導體的電阻”作為參賽課題。[1]《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》的內容要求為：通過實驗,探究并了解金屬導體的電阻與材料、長度和橫截面積的定量關系。通過I-U圖像了解材料的電阻特性。[2]《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)解讀》的說明為：要求學生通過實驗探究了解金屬導體的電阻與材料、長度和橫截面之間的定量關系,理解電阻定律及其表達式,在實驗探究中經歷問題、證據、解釋與交流等科學探究的過程,體驗用圖像法處理數據的科學方法,促進實驗探究能力的提升。[3]通過研讀教材、做教材所提供的參考實驗發現,在接通電源后鎳鉻絲發熱對電阻影響較大,同時在探究面積因素時發現電表指針偏轉角度較小,這樣就使實驗誤差較大,國家基礎教育資源服務平臺精品課“導體的電阻”課例中實驗誤差也較大。鑒于此,筆者力求找到相對鎳鉻絲發熱對電阻影響小且電阻較大的導體,參考大量文獻后最終確定利用2B鉛筆芯來完成本節實驗探究。[4-8]

2 實驗過程

2.1 實驗準備

實驗器材為： 2B鉛筆、HB鉛筆、電池、開關、直流電壓表、導線等。

利用萬用表選擇28支電阻相同的2B鉛筆,并將選擇好的2B和HB鉛筆削成長度和兩端形狀一致(圖1)。

圖1

2.2 探究導體電阻與長度的關系

2.2.1 器材組裝

將削好的6支2B鉛筆、1支HB鉛筆、電池、開關等按圖2連接,其中HB鉛筆作為保護電阻,還可以探究導體電阻與材料的關系。

圖2

2.2.2 采集數據

圖2中每支鉛筆的長度為L0,利用電壓表依次測量出1支鉛筆、2支鉛筆、3支鉛筆……6支鉛筆兩端電壓(表 1)。

表1

2.2.3 數據處理

圖3

2.2.4 實驗結論

從圖3中可得出結論：在實驗誤差范圍內,橫截面積相同的同種材料導體的電阻R與長度L成正比。在實驗中還測得HB鉛筆兩端電壓為0.57 V,與1支2B鉛筆兩端電壓不同,表明導體的電阻與材料有關。

2.3 探究導體的電阻與橫截面積的關系

2.3.1 器材組裝

將21支2B鉛筆、電池、開關、直流電壓表按圖4組裝,并按圖5連接電路。

圖4

圖5

2.3.2 采集數據

每支鉛筆芯的橫截面積為S0,用電壓表依次測出一支鉛筆、2支鉛筆并聯、3支鉛筆并聯……6支鉛筆并聯的兩端電壓,記錄相關數據(表2)。

表2

2.3.3 數據處理

圖6

2.3.4 實驗結論

從圖6中可得出結論：在實驗誤差范圍內,相同長度的同種材料導體的電阻R與橫截面積S的倒數成正比。

綜上所述,我們完成了影響導體因素的定量探究,并得到實驗結論：對于同種材料的導體,其電阻R與它的長度L成正比,與它的橫截面積S成反比,導體的電阻還與構成它的材料有關。

3 結語

在本節課的教學中學生按照上述方案,通過分組實驗測得數據、繪制圖像,定量探究了影響導體電阻的因素。本實驗的優勢在于可以讓長度及橫截面積可視化,增加實驗的可信度。實驗所用鉛筆電阻較大,不需要滑動變阻器,降低了連線的難度。在實驗時電流小、發熱少,可認為鉛筆芯的電阻不變,減小了電阻變化引起的誤差,相比教材中的實驗,誤差較小,具有較強的說服力。