研究水的电阻率结题报告

[2005-12-29 14:23:10]
作者：富阳中学 浏览: 2492
笔人：潘勐豪  王腾飞
我们高二(24)班课题研究小组对水的电阻率经过近一个月的研究，完成了课题任务。现将我们的研究工作、研究过程发现的问题、我们的研究成果及一些体会做一汇报。
一、经过课题研究，我们掌握了多种测量水的电阻的方法
1、伏安法：
因水的电阻较大，我们采用电流表内接法。为了能有较大的电压调节范围，滑动变阻器采用分压式。电压表量程一般取3V即可，而电流表的量程一般用10毫安或1毫安。
2、电桥法：
R1、 R2、R3都用电阻箱。我们可以取R1= R2，这样只要调R3，当电流表的读数为零时，R水= R3。
当水的电阻较大时，可能电阻箱无法调到平衡，这时可让：R1：R2=1：10，则R水= 10R3
3、与电压表串联法：
事先测出RV，需知电源的电压E（学生电源提供的电压已知），若读数为U，则由：
得：
4、欧姆表直接测量法
以上四种方法中，伏安法是最常规也是最基本的方法，很好理解，但测量计算较麻烦。电桥法的优点是可以不用计算，或简单计算，但要用到器材较多，电路较复杂。这两种方法都能较准确测出电阻。第三种方法经过实验我们发现不方便，且电源的电动势可能有一定的误差。第四种方法最方便，但可能误差也较大。
二、我们在实验中发现了一些问题，并进行相应的研究与解释
1、电极与水的接触面存在接触电阻
我们第一次实验时，有的小组是用铜导线做电极，而有的小组是用铜片做电极的。当时我们想铜导线做电极可能产生较大的测量误差，但又不清楚有多少影响，在老师的建议下我们对这一问题专门进行了研究，结果如下：（水体长4cm、宽5cm、深8cm 自来水）
导线电极    铜片为电极，插入的不同深度cm
1cm    2 cm    3 cm    4 cm    5 cm    6 cm    7 cm    全部
电阻KΩ    80    28    18    15    12    11    9    8.5    8
显然接触面越大，测得的电阻越小，这一过程水的电阻是不变的，减小的是接触电阻。而导线做电极时，电阻的测量值为铜片全插入时电阻测量值的10倍！这是我们始料未及的。
通过实验我们原来的疑问就完全清楚了，导线做电极是根本不行的。为了尽量减小接触电阻，我们的实验中应采用的电极应与水的横截面相同。
2、在实验中我们发现了水的“电容现象”
测量水的电阻时，我们发现开关闭合时电流表的计数较大，而随通电时间的延长，电流表的读数变小，经过近1分钟后电流表达稳定状态。这一现象在研究NaCl浓度与水的电阻率的关系实验中更加明显。另外，我们实验中还发现，断开电源开关后，与水形成回路的电流表会发生反偏现象，这种反偏现象有时甚至持续几分钟。
开始我们以为这是一种偶然现象，但后来多次发现这一现象，且水中离子浓度越大，这一现象越明显。为了解释这一现象，我们请教了化学老师和物理老师，并上网查找了相关资料。其原因如下：
水通电时，溶液中离子在电场作用下，正离子向负极移动，负离子向正极移动，在溶液中出现带电区域，从而产生附加电场，减弱了原电场，使溶液中电流逐渐减小。而断开电源形状后，聚集在两极的电荷放电（即电容放电），形成反向电流，因水的电阻较大，所以需较长的放电时间。
根据这一研究，我们的结论是，测量水的电阻时，开始的电流值较真实地反映的水的电阻。所以测水的电阻时我们的读数要快。
3、在实验中我们发现电解水现象。
测量水的电阻时，因水的电阻很大，电流很小，有时甚至连毫安表也很难测出，为了增大电流，开始我们采用了较高的电压（10V左右），经过一段时间的测量，我们不经意的发现，与电源负极相连的铜片上竟产生了很多气泡。我们竟把水电解了，负极产生了氢气（化学学到过）！而正极没有产生氧气，是因为铜的活性比氧强，铜被电解了。
电解水必然会影响水中离子的浓度。因此，根据这一研究，我们测量水的电阻时，电压不能太大（最好3V以下），通电时间不能太长。
三、关于水的电阻率的一些实验结论
1、水的电阻率与水的杂质浓度有关，一般杂质越多电阻率越小。
水的样品    电阻率（Ω m）
富春江水    65
自来水    86
人洲矿泉水    150
秀曼特饮用水    600
娃哈哈纯净水    10000
矿泉水中因含矿物质较多，电阻率相对也较小。而秀曼特饮用水产自千岛湖，且经过较多工艺制作，水比较纯净，电阻率较大。而娃哈哈纯净水从实验中的数据可以看出是名副其实的纯净水。
2、水的电阻率与食盐浓度的增大而减小
从我们作出的图象可以看出，在纯净水中只要加入少量的食盐，电阻率就大大的减小。而继续加盐，电阻率虽然进一步减小，但减小得很慢。
3、水的电阻率随温度的升高而减小
四、液体电阻率测量仪的制作
实验过程中，我们的同学有几位提出测水的电阻率太麻烦，需要这么多的仪器，又要经过计算，能否制作一个简易装置能直接读出水的电阻率？
为此我们（还有徐圆、夏天、刘金华）这对这一问题经过了专门研究（这一过程我们付出了比想象多得多的劳动，此为另话），制作了简易的直接测量阻率的仪器，考虑到它不仅可以测量不同水的电阻率还可以测量其它液体的电阻率，因此取名“液体电阻率测量仪”。
1、基本制作思路是：
制作一个长为4cm、宽5cm、高8cm的水槽
因为： →
只要测出它的电阻值，再乘0.1，就得电阻率值。
2、原理：而测电阻我们利用所学的欧姆表的原理，即闭合电路的欧姆定律进行设计。
电路图如图所示。
虚线下部分为供电路电路，采用分压电路，它的作用是让新电池和旧池（两节总电动势不低于2.4V）都能输出2.4V的电压。
而虚线上部分为测量电路。采用两档测量，即×100档和×1K档（电阻率就是×10档和×100档）。S2打到3、4，则1、2断开，3、4接通，这是100档的电路，R4起分流作用。S2打到1、2，则3、4断开，1、2接通，这是1K档的电路，R5起分流作用。
3、使用方法
①把待测液体倒入水槽至标线处
②接通电源开关S1
③选择倍率×10或×100
④闭合调零开关S3，调节调零旋纽，使指针指零
⑤断开调零开关S3，读出液体的电阻率
五、我们未能解决的疑问
在这一次水的电阻率的研究中，还有一些问题由于我们的知识水平和时间原因，我们还未能进行深入探究并作出解释。
1、为什么水的电阻率会随温度的升高而变小？不同的水电阻率随温度的变化关系有什么不同？
2、水的电解需要的电压究竟是几伏？我们的研究是在10V时，负极较短时间内就发现了气泡，而在3V时，我们观察了较长时间也没有看到有气泡产生，这时是不是没有把水电解？我们定的测水的电阻率电压<3V，是否合理？
3、关于水的电容现象虽然我们作出了一定的解释。但有一个问题还是不清楚。如图所示，当断开S后有怎样方向的电流流过电流表A？我们有两种想法：一、若将水两测的电极和水看成一电容器，则水槽的右端为负电荷，左端为正电荷，应有逆时针方向的电流。二、从水中离子定向移动来看，负离子应向左定向移动，正离子向右定向移动。这样右边为正电荷，左边为负电荷，放电时应该是有顺时针方向的电流。实验中我们看到电流反偏，说明有电流是逆时针的。那么为什么第二种理解不对呢？
最后，我们十分感谢陈建旺、王仕全等老师对我们研究过程的悉心指导与帮助，他们让我们学会如何去研究问题，让我们掌握了制作一件仪器必要流程。也十分感谢物理实验室的陈开建老师和校电子维修部的赵师傅，他们为我们提供了一切所需仪器，并为我们给我们帮了不少忙，如教我们如何焊接电阻、告诉我们哪里可以买到电子元件等。