自制液体电阻影响因素探究装置

摘要

在有关“电阻”的教学中，中学物理以最常见的固体材料为例进行实验探究。为了深化学生对电阻定律的理解，设计了一套探究液体电阻影响因素的实验装置，该装置以闭合电路欧姆定律为原理，创造性地引入液体材料作为探究对象，增强了电阻定律的普适性，有效辅助高中物理教学的开展，有助于学生对电阻概念的全面把握和深入理解。

Graphical abstract

关键词

自制教具 / 液体电阻 / 影响因素 / 玻璃管 / 欧姆定律

电阻是电学3种基本元件之一，在中学物理探究“影响导体电阻的因素”教学中，教师传统教学倾向于使用各种合金丝和铜丝作为实验材料，通过观察电流表的偏转程度来判断电阻的大小^［1］。然而这种方式在实际教学中将结论推广到液体或其他非传统材料时，往往引发学生的认知困扰。学生对合金相对陌生，且合金材料的长度、横截面积等物理属性相对固定，不易调整，限制了实验的动态性和探究深度。鉴于以上问题，笔者设计了一组探究液体电阻影响因素的实验装置，旨在通过直观动态的演示，减少学生学习时的困惑，降低学习难度，从而帮助他们更清晰地理解和掌握电阻定律。通过这一创新方法，我们期望能够激发学生对电学原理进行深入探究的兴趣，并提升他们的实验探究能力。

1 液体电阻影响因素探究装置

液体电阻影响因素探究装置如图1所示^［2］。

1.1 实验器材

带有底座的木板一块，自制学生恒压数字电源，开关，导线，金属铜线，多用电表，玻璃管，75%和95%的酒精，自制低浓度食盐水，黑色胶纸一卷，一次性输液器，一次性注射器，直径为10 mm的带孔螺杆及螺帽等。

1.2 教具制作

（1） 截取一块500 mm×500 mm的白色木板为操作面板，并安装一个100 mm×500 mm的底座。

（2） 取内径为14 mm、长为400 mm的玻璃管3根。

（3） 移动电极的制作：取2支5 mL注射器，切掉2支注射器的尾部，用胶水将2支注射器紧密结合在一起，取一段绝缘铜线穿过注射器，把绝缘铜线一端刮掉漆绕成圆盘样贴近注射器充当铜电极，另一端连入电路。

（4） 固定电极的制作：从10 mL一次性注射器上取下橡胶活塞，用10 mm的带孔螺杆穿过活塞（起密封作用），取一段绝缘铜线穿过带孔螺杆，把一端刮掉漆绕成圆盘样紧贴在螺杆一端并密封好（防止露出液体），充当铜电极，再把电极塞入玻璃管下端后用螺母套在螺杆上，拧紧充当固定电极，另一端连入电路。如图2所示。

（5） 流量调节器：采用医用一次性输液器的液体流量控制器。

（6） 用导线把学生数字恒压电源、玻璃管、电流表、移动电极、一次性输液器（包含流量调节器）等按照图1组合在一起，形成液体电阻探究装置。

1.3 工作原理

从液体电阻影响因素探究装置的玻璃管上方加注液体，从下方通过控制流量调节器释放液体，利用浮力改变移动电极在玻璃管中的位置，进而改变被测液柱长度L；向3支玻璃管中注入液体，依次连接1根、2根、3根玻璃管，使得面积成倍变化；再分别向3支玻璃管中注入体积分数为75%和90%的酒精、自制低浓度盐水液体，改变液体电阻率\rho，从而探究长度、横截面积、电阻率对液体电阻的影响^［3］。

恒压电源电压为E，多用电表电流挡电流为I，液体电阻为R₁，电路中其余电阻为R₀，根据闭合电路欧姆定律得E=I(R_{\mathrm{0}}+R_{\mathrm{1}})及固体电阻定律R=\rho \frac{L}{S}推导得L=\frac{ES}{\rho }\times \frac{\mathrm{1}}{I}-\frac{R_{\mathrm{0}}S}{\rho }，\frac{\mathrm{1}}{S}=\frac{E}{\rho L}\times \frac{\mathrm{1}}{I}-\frac{R_{\mathrm{0}}}{\rho L}，作出如下猜想。

（1） 液体\rho一定，横截面积S一定，探究电阻R与液柱长度L的关系。若L与\frac{\mathrm{1}}{I}图象呈直线，说明假设正确，即电阻R与液柱长度L成正比。

（2） 液体\rho一定，液柱长度L一定，探究电阻R与横截面积S的关系。若\frac{\mathrm{1}}{S}与\frac{\mathrm{1}}{I}图象呈直线，说明假设正确，即电阻R与液体横截面积S成反比。

（3） 定性测定各种不同液体电阻率\rho。

2 液体电阻影响因素探究示例

2.1 探究电阻R与液柱长度L的关系

向1支玻璃管中注入一种液体（75%的酒精），控制流量调节器逐步释放液体，减小液柱长度，同时记录电流表示数。多次测量，记录数据绘制表格，把数据输入Excel中，拟合L与\frac{\mathrm{1}}{I}曲线，如图3所示。

探究结论：图象呈直线，说明假设正确，即电阻R与液柱长度L成正比。

2.2 探究电阻R与横截面积S的关系

在3支玻璃管中注入相同高度的同一种液体（75%的酒精），依次接通1支玻璃管、2支玻璃管、3支玻璃管中的液体，同时分别记录电流表对应示数。

控制3支玻璃管的流量调节器，逐步释放液体，减小液柱长度，（每次要保持3支玻璃管中的液柱等高），重复以上操作，同时记录电流表示数。多次测量，记录数据绘制表格，把数据输入Excel中，拟合\frac{\mathrm{1}}{S}与\frac{\mathrm{1}}{I}曲线，如图4所示。

探究结论：图象呈直线，说明假设正确，即电阻R与液体横截面积S成反比。

2.3 定性测定各种不同液体电阻率\rho

向3支规格相同的玻璃管（等长度、等横截面积）中分别注入75%和90%的酒精、自制低浓度盐水。保持各管液柱高度L一致，电压E相同，依次接通一种液体进行测试。分别控制3支玻璃管的流量调节器逐步释放液体，减小液柱长度（每次要保持3支玻璃管中的液柱等高），重复以上操作，分别记录电流表对应示数，如表1所示。

探究结论：液体导电性能与液体种类及液体浓度有关。

通过实验探究发现，液体的电阻R与液柱长度L成正比，与液体的横截面积成反比，与液体种类和体积分数有关，得出固体电阻定律也适合于液体电阻。

3 教具的使用情况和效果

（1） 创新设计的液体电阻探究装置制作简单、坚固耐用，有效解决了教学中的一些弊端。

（2） 本实验探究装置巧妙构成液体的串并联，液体长度自由调节，液体横截面积成倍变化，管内溶液可灵活选择多种电解质溶液进行实验探究，具有明显的探究便捷优势，运用电脑拟合数据，实验结果直观明显，更具说服力。

（3） 本次实验探究注重学生的情境体验，增强了演示实验的视觉效果，强化了物理原理的学习，强化了控制变量法、假设验证法的实验方法，激发了学生的物理学习欲望，开阔了学生的探究视野，培养了学生的科学探究素养。

参考文献

[1] 孙莉.利用导电液体验证电阻定律［J］.实验教学与仪器，2023，40（01）：49-50.

[2] 黄荣建.自制液体电阻定律演示器［J］.中学理科园地，2021，17（04）：70，72.

[3] 胡晓秋.简易液体电阻的制作及其在物理教学中的应用［J］.物理通报，2018（02）：64-66.

基金资助

淄博市教育科学“十四五”规划一般课题“基于学生自制的高中物理实验器材改进与创新研究”(2021ZJY041)

淄博市教育科学规划专项课题“区域中小学科学实验教学衔接研究”(2024ZJZX014)