Question

一根重約1～2N、長約30-40cm、電阻約為100Ω的細長而均勻金屬管的橫截面如圖所示．已知此金屬管材料的電阻率為ρ，密度為ρ，因管內中空部分截面形狀不規則，無法直接測量，請你設計一個實驗方案，測量中空部分的截面積S．現有如下器材可供選擇：
A．毫米刻度尺
B．螺旋測微器
C．電流表A₁（量程60mA，內阻約20Ω）
D．電流表A₂（量程3A，內阻約為0．lΩ）
E．電壓表V（量程3V，內阻約6kΩ）
F．滑動變阻器R_l（2000Ω，0.3A）
G．滑動變阻器R₂（10Ω，3A）
H．蓄電池E（6V，O． 5A）
I．開關S一個，帶夾子的導線若干．
①除待測金屬管外，還應選用的器材有______（只填器材前的代號字母）；
②在方框中畫出你所設計的實驗方案的電路原理圖．
③實驗中要測量的物理量有______（用字母表示，并用文字加以說明每個字母的物理意義）．
④計算金屬管內部中空部分截面積S，表達式為S=______（用③中列舉的字母表示）

Answer 1

【答案】分析：（1）本實驗需要用伏安法測量電阻，根據電阻定律公式求解導體的截面積，故可以先得到截面積的表達式，再結合歐姆定律得到待測量，從而進一步選擇器材；
（2）用伏安法測量電阻，要求盡可能測出多組有關數值，故滑動變阻器要采用分壓式接法；由于金屬原件長度較短，故電阻較小，故采用安培表外接法，畫出電路圖后進一步連接實物圖即可；
（3）根據歐姆定律和電阻定律公式可以得到要測量的物理量；
（4）根據實驗所測數據，應用歐姆定律及電阻定律求出面積的表達式．
解答：解：（1）本實驗需要用伏安法測量電阻，根據歐姆定律，有R=；
同時要結合電阻定律公式R=ρ求解截面積；故要用電壓表測量電壓，電流表測量電流，
刻度尺測量長度，螺旋測微器測量金屬管外直徑，要組合成電路，還需要電源、電鍵、導線以及滑動變阻器；由于電阻通電電流大會升溫，影響電阻率，故要小電流，故電流表選擇較小量程，電壓表也選擇較小量程；故需要的實驗器材有：ABCEGHI；  
（2）實驗電路如圖所示．
（3）（4）根據歐姆定律，有R=；根據電阻定律，有R=ρ，故截面積為：S=；
實驗時需要：用毫米刻度尺金屬管線長度L，外徑D，電壓表示數U，電流表示數I，
故金屬管線內部空間截面積S的表達式為：S=
故答案為：（1）ABCEGHI；（2）如圖所示；（3）用毫米刻度尺金屬管線長度L，外徑D，電壓表示數U，電流表示數I，
（4）
點評：本題考查了實驗器材的選擇、設計實驗電路、實驗測量、實驗數據處理等問題，知道實驗原理是正確解題的關鍵．