Question

有一根細而均勻的導電材料樣品（如圖1a所示），截面為同心圓環(huán)（如圖1b所示），此樣品長約為3cm，電阻約為100Ω，已知這種材料的電阻率為ρ，因該樣品的內(nèi)徑太小，無法直接測量．現(xiàn)提供以下實驗器材：
A．20等分刻度的游標卡尺
B．螺旋測微器
C．電流表A₁（量程50mA，已知內(nèi)阻r₁=100Ω）
D．電流表A₂（量程100mA，內(nèi)阻r₂大約為40Ω）
E．電流表A₃（量程3A，內(nèi)阻r₃大約為0.1Ω）
F．滑動變阻器R（0～10Ω，額定電流2A）
G．直流電源E（12V，內(nèi)阻不計）
H．導電材料樣品R_x（長L約為3cm，電阻R_x約為100Ω）
I．開關一只，導線若干
請根據(jù)上述器材設計一個盡可能精確地測量該樣品內(nèi)徑d的實驗方案，回答下列問題：
（1）用游標卡尺測得該樣品的長度如圖2甲所示，其示數(shù)L=

3.235

cm；用螺旋測微器測得該樣品的外徑如圖2乙所示，其示數(shù)D=

3.250

mm．
（2）請選擇合適的儀器，在方框（圖3）中畫出最佳實驗電路圖，并標明所選器材的字母代號．
（3）用已知物理量的符號和測量量的符號來表示樣品的內(nèi)徑d，即d=

D2- 4ρL(I2-I1) πI1r1

．

Answer 1

分析：①螺旋測微器讀數(shù)=固定刻度讀數(shù)+可動刻度讀數(shù)；
②電流表A₁內(nèi)阻已知，故將電流表A₁當電壓表使用；為得到較大的電壓調(diào)節(jié)范圍，滑動變阻器采用分壓式接法；
③根據(jù)并聯(lián)電路總電流等于各個支路電流之和，得到通過電阻的電流；根據(jù)歐姆定律計算出電阻值；最后再根據(jù)電阻定律求解出直徑．

解答：解：（1）游標卡尺主尺讀數(shù)為32mm，游標尺上第7條線與上面對齊，故讀數(shù)為：7×0.05mm=0.35mm，故最終讀數(shù)為：32mm+0.35mm=32.35mm=3.235cm；
螺旋測微器的讀數(shù)應先從固定刻度上讀整半毫米數(shù)，然后從可動刻度讀出不足半毫米的數(shù)值，此時應注意估讀，3mm+0.01×25.0mm=3.250mm．
（2）題中沒有提供電壓表，電流表A₁其內(nèi)阻為準確值，所以可以用此表來當作電壓表，用電流值與內(nèi)阻乘積表示該表兩端的電壓，電路用滑動變阻器分壓接法、安培表外接，如圖所示．

（3）通過R₂的電流為I₂-I₁，由歐姆定律有：R₂=

I1r1

I2-I1

根據(jù)電阻定律，有：R₂=ρ?

L

1 4 πD2- 1 4 πd2

由以上兩式得到：d=

D2- 4ρL(I2-I1) πI1r1

故答案為：（1）3.235，3.250
（2）如圖
（3）

D2- 4ρL(I2-I1) πI1r1

．

點評：本題關鍵是明確電阻測量的兩種方法，用歐姆表粗略測量，用伏安法精確測量；同時會用螺旋測微器測量長度，會減小伏安法測電阻的誤差．