人教版 (2019)必修 第三册3 实验：电池电动势和内阻的测量课文课件ppt

这是一份人教版 (2019)必修 第三册3 实验：电池电动势和内阻的测量课文课件ppt，共60页。PPT课件主要包含了实验必备·自主学习，实验过程·探究学习，实验研析·创新学习，创新评价，课堂检测·素养达标等内容，欢迎下载使用。

一、实验目的1.掌握用电压表和电流表测量电动势和内阻的方法。2.会利用计算法和图像法求电动势和内阻。二、实验器材待测电池,电流表 (0～0.6 A),电压表(0～3 V),滑动变阻器,开关,导线。
【思考·讨论】在测量电池的电动势和内阻的实验中,待测电池应选择新电池还是旧电池?解释这样选择的好处。提示:旧电池。旧电池的内阻较大,路端电压随电流变化的现象更明显,内阻测量更准确。
三、实验原理与设计1.伏安法(1)原理图
(2)主方程:E=U+Ir。(3)主要器材:滑动变阻器、电流表、电压表。(4)实验设计:通过调节滑动变阻器,只需测出U、I的两组数据,就可以列出两个关于E、r的方程,从而解出E、r。
2.安阻法(1)原理图
(2)主方程:E=IR+Ir。(3)主要器材:电阻箱、电流表。(4)实验设计:通过调节电阻箱,只需测出R、I的两组数据,就可以列出两个关于E、r的方程,从而解出E、r。
3.伏阻法(1)原理图
(2)主方程:E=U+ r。(3)主要器材:电阻箱、电压表。(4)实验设计:通过调节电阻箱,只需测出R、U的两组数据,就可以列出两个关于E、r的方程,从而解出E、r。
【实验步骤】(以伏安法为例)1.电流表用0～0.6 A量程,电压表用0～3 V量程,按实验原理图连接好电路。2.把滑动变阻器的滑片移到一端,使其阻值最大。3.闭合开关,调节滑动变阻器,使电流表有明显的示数,记录一组数据(I1、U1)。用同样的方法测量几组I、U值,填入表格中。
4.断开开关,整理好器材。
【思考·讨论】 若使用旧电池进行该实验时,发现路端电压U随电流I变化仍不明显,用什么方法可以使这个变化更明显一些。提示:如图所示给电源串联一个定值电阻,既作为保护电阻,又可以增加电源的等效内阻,使电压表的示数有明显的变化。
【数据的分析与处理】1.计算法:由E=U1+I1r,E=U2+I2r可解得:分别将1、4组,2、5组,3、6组联立方程组解出E1、r1,E2、r2,E3、r3,求出它们的平均值作为测量结果:
2.图像法:(1)以I为横坐标,U为纵坐标建立直角坐标系,根据几组I、U的测量数据在坐标系中描点。(2)用直尺画一条直线,使尽量多的点落在这条直线上,不在直线上的点,能大致均衡地分布在直线两侧。(3)如图所示:
①图线与纵轴交点为E;②图线与横轴交点为I短= ;③图线的斜率表示r=| |。
【思考·讨论】(1)干电池内阻较小时,U的变化较小,坐标图中数据点将呈现如图甲所示的状况,下部大面积空间得不到利用,应怎样作图,能有效减少误差?(科学思维) 提示:为此可使坐标不从零开始,如题图乙所示,纵坐标不从零开始,把纵坐标的刻度放大,可使结果的误差减小些。
(2)如图乙中,怎样计算电动势和内电阻?(科学思维)
提示:直线与纵轴交点的纵坐标值即是电池电动势的大小(一次函数的纵轴截距);直线的斜率绝对值即为电池的内阻r,即r= 在利用U-I图线求r时,一定要弄清楚在你面前的U-I图线的纵坐标是否是从零开始的,如果从零开始,则r= 如果不是从零开始,则r=
【误差分析】1.使用限流外接法的误差分析:限流外接法电路如图甲所示。
(1)误差来源:电压表的分流作用。由于实际使用的电压表不是理想电表,将有电流通过。测量的电流偏小。(2)误差大小分析:当路端电压为零时,电压表不分电流,此时测量电流没有误差。随着电压表两端的电压越大,通过电压表的电流越大,测量的电流偏小得越多。(3)真实图像与测量图像的比较:综上分析,真正的U-I图像为图乙中的虚线A′B,测量值为图乙中的实线AB。(4)结论:与真实值相比,电动势测量值偏小,电阻偏小。
2.使用限流内接法的误差分析:限流内接法电路如图丙所示。
(1)误差来源:电流表的分压作用。由于实际使用的电流表不是理想电表,电流表两端有电压。测量的电压偏小。(2)误差大小分析:当干路电流为零时,电流表不分电压,此时测量电压没有误差。随着通过电流表的电流增大,电流表两端的电压越大,测量的电压偏小得越多。(3)真实图像与测量图像的比较:综上分析,真正的U-I图像为图丁中的虚线,测量值为图丁中的实线。(4)结论:与真实值相比,电动势测量值无系统误差,电阻偏大。
【思考·讨论】(1)在限流外接法和内接法中,分别选用怎样的电表可减小该实验的误差?(科学思维)提示:使用限流外接法时应选择内阻较大的电压表;使用限流内接法时,应选择电阻较小的电流表。(2)不论使用限流外接法还是内接法都会有一定的误差,综合分析两者的优缺点。(科学思维)提示:内接法测量电动势没有系统误差,但是内阻测量误差过大;外接法测量电动势和内阻都有误差,但两个误差都较小。
类型一　教材原型实验角度1 实验原理和实验操作【典例1】用电流表和电压表测定由三节干电池串联组成的电池组(电动势约4.5 V,内电阻约1 Ω)的电动势和内电阻,除待测电池组、电键、导线外,还有下列器材供选用:A.电流表:量程0.6 A,内电阻约1 ΩB.电流表:量程3 A,内电阻约0.2 ΩC.电压表:量程3 V,内电阻约30 kΩ
D.电压表:量程6 V,内电阻约60 kΩE.滑动变阻器:0～1 000 Ω,额定电流0.5 AF.滑动变阻器:0～20 Ω,额定电流2 A
(1)为了使测量结果尽量准确,电流表应选用__________,电压表应选用__________,滑动变阻器应选用__________(均填仪器的字母代号)。 (2)如图为正确选择仪器后,连好的部分电路。为了使测量误差尽可能小,还需在电路中用导线将________和__________相连、________和__________相连、__________和__________相连(均填仪器上接线柱的字母代号)。 
(3)实验时发现电流表坏了,于是不再使用电流表,剩余仪器中仅由电阻箱替换掉滑动变阻器,重新连接电路,仍能完成实验。请在虚线框中画出这种情况下的电路图。
【解析】(1)为了使测量更准确,电流表选量程为0.6 A的电流表A,电池组的电动势约4.5 V,故电压表选D,为了便于调节滑动变阻器应选F。(2)为了使测量误差尽可能小,测量电源电动势和内电阻的原理图如图甲所示,因此将a、d相连,c、g相连,f、h相连。
(3)用电阻箱和电压表测量电源电动势和内阻应使用伏阻法,其原理图如图乙所示。答案:(1)A　D　F　(2)a　d　c　g　f　h(3)见解析
角度2 实验数据处理【典例2】在用电流表和电压表测电池的电动势和内阻的实验中,所用电流表和电压表的内阻分别为0.1 Ω和1 kΩ,如图为实验原理图及所需器材图。
(1)在图中用笔画线代替导线将器件按原理图连接成实验电路。(2)一位同学记录的6组数据见表:
试根据这些数据在图中画出U-I图像,根据图像读出电池的电动势E=_______V,求出电池内阻r=_______Ω。 
【解析】(1)按照实验原理图将实物图连接起来,如图甲所示。
(2)根据U、I数据,在U-I坐标系中找点描迹,如图乙所示,然后连线并将直线延长,交U轴于U1=1.46 V,此即为电源电动势;由闭合电路欧姆定律得r=| |= Ω≈0.71 Ω。答案:(1)见解析　(2)见解析　1.46(1.45～1.47均可)0.71(0.69～0.73均可)
类型二　创新型实验【典例3】根据闭合电路欧姆定律,用图甲所示的电路可以测定电池的电动势和内电阻。图中R0是定值电阻,通过改变R的阻值,在1、2位置处接一电压传感器,可直接显示R0两端的对应电压U12。对所得的实验数据进行处理,就可以实现测量目的。根据实验数据,在 -R坐标系中描出坐标点,如图乙所示。已知R0=150 Ω,请完成以下数据分析和处理。
(1)图乙中电阻为__________Ω的数据点应剔除; (2)在图乙上画出 -R关系图线;(3)图线的斜率是________(V-1·Ω-1),由此可得电池电动势Ex=________V。 
【解析】(1)根据画图描点原则应舍掉电阻为80 Ω的点。(2)连线时应该用直线拟合,使线过尽可能多的点,不在线上的数据点均匀分布在线的两侧。(3)根据闭合电路欧姆定律得Ex=U12+ (R+rx),所以 由图可知斜率 =0.004 44,即Ex=1.50 V。
答案:(1)80　(2)如图所示(3)0.004 44　1.50
1.如图甲所示,R为电阻箱(0～99.9 Ω),置于阻值最大位置,Rx为未知电阻。断开S2,闭合S1,逐次减小电阻箱的阻值,得到一组R、I的值,并依据R、I值作出了如图乙所示的R- 图线;断开S2,闭合S1,当R调至某一位置时,电流表的示数I1=1.0 A;保持电阻箱上各旋钮的位置不变,断开S1,闭合S2,此时电流表的示数为I2=0.8 A。据以上数据可知(电流表内阻不计)(　　)
A.电源电动势为3.0 VB.电源内阻为2 ΩC.Rx的阻值为2 ΩD.S1断开,S2接通时,随着R的减小,电源输出功率一直增大
【解析】选D。根据E=IR+Ir,解得R= -r,图线的斜率与电源的电动势相等,故E= V=2 V,纵轴截距的绝对值表示内阻,所以内阻r=0.5 Ω,故A、B错误; 断开S2,闭合S1,当R调至某一位置时,电流表的示数I1=1.0 A;有E=I1R+I1r,代入数据解得:R=1.5 Ω,断开S1,闭合S2,此时电流表的示数为I2=0.8 A,则有:E=I2 +I2r,解得Rx=0.5 Ω,故C错误;由于Rx与电源内阻相等,又知当外电阻等于电源内阻时,电源的输出功率最大,当外电阻大于内阻时,随着外电阻的减小,电源输出功率增大,S1断开,S2接通时,随着R的减小,电源输出功率一直增大,故D正确。
2.同学们知道,将两个金属电极插入任何一个水果中就可以做成一个水果电池,但日常生活中我们很少用“水果电池”,这是为什么呢?某学习小组的同学准备就此问题进行探究。
(1)同学们通过查阅资料知道将锌、铜两电极插入水果中,电动势大约会有1 V多一点。晓宇同学找来了一个土豆做实验,当用量程为0～3 V、内阻约50 kΩ的电压表测其两极时读数为0.96 V。但当他将四个这样的“土豆电池”串起来给标称值为“3 V　0.5 A”的小灯泡供电时,灯泡并不发光。检查灯泡、线路均没有故障,而用电压表测量其电压确实能达到3 V多。据您猜想,出现这种现象的原因应当是:______________________________________________________________________________________(不要求写分析、推导过程)。 
(2)晓宇同学用欧姆表直接测“土豆电池”的两极,读得此时的读数为30 Ω。小丽同学用灵敏电流表直接接“土豆电池”的两极,测得电流为0.32 mA,根据前面用电压表测得的0.96 V电压,由闭合电路欧姆定律得:r= Ω=3.0 kΩ。因而晓宇同学说土豆的内阻为30 Ω,而小丽同学则说是3 kΩ。请你判断,用晓宇或小丽同学的方法测量“土豆电池”的内阻,结果是否准确,为什么?请分别说明理由____________________________________________ _________________________________________________________________ ________________________________________________________________。 
(3)若实验室除了导线和开关外,还有以下一些器材可供选择:A.电流表A1(量程为0～0.6 A,内阻为1 Ω)B.灵敏电流表A2(量程为0～0.6 mA,内阻为800 Ω)C.灵敏电流表A3(量程为0～300 μA,内阻未知)D.滑动变阻器R1(最大阻值约10 Ω)E.滑动变阻器R2(最大阻值约2 kΩ)F.定值电阻(阻值2 kΩ)G.变阻箱(0～9 999 Ω)
①为了能尽可能准确测定“土豆电池”的电动势和内阻,实验中应选择的器材是__________(填器材前的字母代号)。 ②在方框中画出设计的电路图。
【解析】(1)“土豆电池”的内阻太大,接灯泡时,电流太小,灯泡功率太小,不会发光; (2)晓宇的方法不正确,因土豆电池本身有电动势,当用欧姆表直接接“土豆电池”的两极时,欧姆表内部的电源与“土豆电池”的电动势正向或反向串联,影响测量的结果,故测不准;小丽同学测量的误差也很大。理想状态下用电流表测得的是短路电流,电压表测得的应当是电源电动势,但由于“土豆电池”的内阻很大,电压表的内阻不是远大于“土豆电池”的内阻,故其测得的电动势误差大,算得的内阻亦不准确。小丽同学的测量未扣除灵敏电流表内电阻;
(3)①因没有电压表,故本实验可以采用安阻法,测电源电动势与内阻需要电阻箱与电流表,由题意可知,“土豆电池”内阻很大,通过“土豆电池”的最大电流较小,为保证安全并精确测量,电流表可选B,即灵敏电流表A2(量程为0～0.6 mA,内阻为800 Ω),因此实验器材可选:B、G。②安阻法测电源电动势与内阻的实验电路图如图所示:
答案:(1)“土豆电池”内阻太大(2)晓宇的方法不正确,未考虑“土豆电池”本身有电动势;小丽同学测量的误差也很大,因为灵敏电流表的内电阻不可忽略(3)①B、G　②见解析
【加固训练】1.在“测定电池的电动势和内阻”的实验中,已连接好部分实验电路。
(1)按图甲所示的实验电路,把图乙中剩余的电路连接起来。(2)在图乙的电路中,为避免烧坏电表,闭合开关前,滑动变阻器的滑片应置于__________端(选填“A”或“B”)。 
(3)如图是根据实验数据作出的U-I图像,由图可知,电源的电动势E=________V,内阻r=________Ω。 
【解析】(1)电路连接如图所示:
(2)闭合开关前,滑动变阻器接入电路中的阻值应该最大,故滑片应置于A端。(3)由题图图像可知,电源电动势为1.5 V,内阻r= Ω=1.0 Ω。答案:(1)见解析图　(2)A　(3)1.5　1.0
2.某探究性学习小组利用如图所示的电路测量电池的电动势和内阻。其中电流表A1的内阻r1=1.0 kΩ,电阻R1=9.0 kΩ,为了方便读数和作图,给电池串联一个R0=3.0 Ω的电阻。
(1)按图示电路进行连接后,发现aa′、bb′和cc′三条导线中,混进了一条内部断开的导线。为了确定哪一条导线内部是断开的,将电键S闭合,用多用电表的电压挡先测量a、b′间电压,读数不为零,再测量a、a′间电压,若读数不为零,则一定是__________导线断开;若读数为零,则一定是__________导线断开。 (2)排除故障后,该小组顺利完成实验。通过多次改变滑动变阻器触头位置,得到电流表A1和A2的多组I1、I2数据,作出图像如图。由I1-I2图像得到电池的电动势E=__________V,内阻r=__________Ω。 
【解析】(1)将电键S闭合,用多用电表的电压挡先测量ab′间电压,读数不为零,可知cc′不断开,再测量aa′间电压,若读数不为零,可知bb′间不断开,则一定是aa′间断开。若aa′间电压为零,则bb′导线断开。(2)根据闭合电路的欧姆定律得E=I1(R1+r1)+(I1+I2)(R0+r),I1≪I2,上式可简化为E=I1(R1+r1)+I2(R0+r),进一步处理可得:I1= 由题图可知,纵截距为 ,斜率绝对值为 。解得:电动势E=1.41 V,内阻r=0.5 Ω。
答案:(1)aa′　bb′(2)1.41(1.36～1.44均可)　0.5(0.4～0.6均可)
3.甲同学设计了如图甲所示的电路测电源电动势E及电阻R1和R2的阻值。实验器材有:待测电源E(不计内阻),待测电阻R1,待测电阻R2,电压表V(量程为0～1.5 V,内阻很大),电阻箱R(0～99.99 Ω),单刀单掷开关S1,单刀双掷开关S2,导线若干。
(1)先测电阻R1的阻值。请将甲同学的操作补充完整:闭合S1,将S2切换到a,调节电阻箱,读出其示数r和对应的电压表示数U1;保持电阻箱示数不变,__________,读出电压表的示数U2,则电阻R1的表达式为R1=__________。 (2)甲同学已经测得电阻R1=4.8 Ω,继续测电源电动势E和电阻R2的阻值。该同学的做法是:闭合S1,将S2切换到a,多次调节电阻箱,读出多组电阻箱示数R和对应的电压表示数U,由测得的数据,绘出了如图乙所示的 图线,则电源电动势E=__________V,电阻R2=__________Ω。 
(3)利用甲同学设计的电路和测得的电阻R1,乙同学测电源电动势E和电阻R2阻值的做法是:闭合S1,将S2切换到b,多次调节电阻箱,读出多组电阻箱示数R和对应的电压表示数U,由测得的数据,绘出了相应的 图线,根据图线得到电源电动势E和电阻R2。这种做法与甲同学的做法比较,由于电压表测得的数据范围__________(选填“较大”“较小”或“相同”),所以__________同学的做法更恰当些。 
【解析】(1)将S2切换到a时,电压表示数为U1,电阻箱电阻为r,则电路中电流I1= 将S2切换到b时,电压表示数为U2,则电路中电流为I2= 由于I1=I2,解得R1= r。(2)由闭合电路欧姆定律得E=U+ (R1+R2),整理得 由图乙可得 =0.7,故E≈1.43 V,将 =2.8, =0.5代入上式得R2=1.2 Ω。(3)由于电压表量程较小,测得数据范围较小,测量误差较大,所以甲同学的做法更恰当些。