高中物理高考 2020届高考物理一轮复习实验课13测量电源的电动势与内阻课件新人教版

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一、实验目的1.测定电源的电动势和内阻。2.掌握用图像法求电动势和内阻。二、实验原理1.实验依据闭合电路欧姆定律。2.实验电路:如图所示。
三、实验器材电池(被测电源)、电压表、电流表、滑动变阻器、开关、导线、坐标纸、铅笔。四、实验步骤1.电流表用0.6 A量程,电压表用3 V量程,按实验原理图所示连接好电路。2.把滑动变阻器的滑片移动到使接入电路的阻值最大的一端。3.闭合开关,调节滑动变阻器,使电流表有明显示数并记录一组数据(I1,U1)。用同样方法测量几组I、U值,填入表格中。
4.断开开关,拆除电路,整理好器材。
四、实验数据处理1.公式法:E和r的求解,由U=E-Ir
取上表6组对应的U、I数据,数据满足关系式U1=E-I1r、U2=E-I2r、U3=E-I3r……让第1式和第4式联立方程,第2式和第5式联立方程,第3式和第6式联立方程,这样解得三组E、r,分别取平均值作为电池的电动势E和内阻r的大小。
2.作图法:作图法数据处理,如图所示。
五、注意事项1.可选用旧电池:为了使电路的路端电压变化明显,电池的内阻宜大些,可选用已使用过一段时间的1号干电池。2.电流不要过大,读数要快:干电池在大电流放电时,电动势E会明显下降,内阻r会明显增大。因此,实验中不要将I调得过大,读电表要快,每次读完立即断电。3.计算法求E、r:要测出不少于6组I、U数据,且变化范围要大些,用方程组求解时,要将测出的I、U数据中,第1和第4为一组、第2和第5为一组、第3和第6为一组,分别解出E、r值再求平均值。
六、误差分析1.偶然误差:主要来源于电压表和电流表的读数以及作U-I图像时描点不很准确。2.系统误差,由于电压表和电流表内阻影响而导致的误差。 甲(1)当电路如图甲所示时,即电流表内接时,系统误差源于电压表的分流,由于电压表的分流作用,使电流表示数I小于电池的输出电流I真,导致电源电动势和内阻的测量值E测和r测都比真实值E真和r真小。具体分析时可采用以下几种方法:
②图像修正法 乙由于电压表分流IV,使电流表示数I小于电池的输出电流I真,I真= I+IV,而 ,U越大,IV越大。它们的关系如图乙所示。实测的图线为AB,经过IV修正后的图线为A'B,可看出AB斜率的绝对值和在纵轴上的截距都小于A'B,即实测的E和r都小于真实值。
(2)伏安法测E、r还可接成如图丁所示的电路,即电流表外接时,该测量电路存在的系统误差是由于电流表的分压作用导致的。因为U真=U测+UA=U测+IRA,RA为电流表的内阻,这样在U-I图线上对应每一个I应加上一修正值ΔU=IRA,由于RA很小,所以在I很小时,ΔU趋于零,I增大,ΔU也增大,理论值与测量值的差异如图戊所示。
由图可知E测=E真,r测>r真(内阻测量误差非常大)。另外两种误差的分析方法请参照(1)中的方法自行分析。
实验原理与操作例1用如图所示电路测量电源的电动势和内阻。实验器材:待测电源(电动势约3 V,内阻约2 Ω),保护电阻R1(阻值10 Ω)和R2(阻值5 Ω),滑动变阻器R,电流表A,电压表V,开关S,导线若干。
实验主要步骤:(ⅰ)将滑动变阻器接入电路的阻值调到最大,闭合开关;(ⅱ)逐渐减小滑动变阻器接入电路的阻值,记下电压表的示数U和相应电流表的示数I;(ⅲ)以U为纵坐标,I为横坐标,作U-I图线(U、I都用国际单位);(ⅳ)求出U-I图线斜率的绝对值k和在横轴上的截距a。回答下列问题:(1)电压表最好选用　　　　;电流表最好选用　　　　。 A.电压表(0~3 V,内阻约15 kΩ)B.电压表(0~3 V,内阻约3 kΩ)C.电流表(0~200 mA,内阻约2 Ω)D.电流表(0~30 mA,内阻约2 Ω)
(2)滑动变阻器的滑片从左向右滑动,发现电压表示数增大,两导线与滑动变阻器接线柱连接情况是　　　　。 A.两导线接在滑动变阻器电阻丝两端的接线柱B.两导线接在滑动变阻器金属杆两端的接线柱C.一条导线接在滑动变阻器金属杆左端接线柱,另一条导线接在电阻丝左端接线柱D.一条导线接在滑动变阻器金属杆右端接线柱,另一条导线接在电阻丝右端接线柱(3)选用k、a、R1和R2表示待测电源的电动势E和内阻r的表达式E=　　　　,r=　　　　。代入数值可得E和r的测量值。 
解析 (1)因电源电动势为3 V,且电压表内阻越大,系统误差越小,所以电压表选A;通过电流表的最大电流约为 =176.5 mA,所以电流表选C;(2)滑动变阻器的滑片从左向右滑动,发现电压表示数增大,说明滑动变阻器连入电路的电阻丝长度在增长,故滑片P左侧电阻丝连入电路,所以一条导线接在电阻丝左端接线柱,另一条导线接在滑动变阻器金属杆两端中的任意一端接线柱都可,选项C正确;(3)由闭合电路欧姆定律E=U+I(r+R2),可得U=E-I(r+R2),由题意U=0时,I=a,且r+R2=k,所以得E=ka;r=k-R2。答案 (1)A　C　(2)C　(3)ka　k-R2
实验数据处理例2用电流表和电压表测定电池的电动势E和内阻r,所用电路如图甲所示,一位同学测得的6组数据如下表所示。
(1)试根据这些数据在图乙中作出U-I图线。
乙(2)根据图线求出电池的电动势E=　 　V,电池的内阻r=　 　Ω。(3)若一位同学未画出图线,只选用其中两组U和I数据,可利用公式E=U+Ir,算出E和r,这样做可能得出误差较大的结果。选用第　　　　组和第　　　　组数据,求得E、r的误差最大。 
解析 (1)作图时先建立坐标系,建立坐标系时纵轴的电压应从1.00 V开始取点,再进行描点,然后连线。在连线时发现坐标(0.32,1.18)显然不在直线上,所以应将此点舍掉。连线如图所示。
(2)连成线后,将线延长分别与两坐标轴相交,在纵轴的截距为1.46 V,此即为电动势。再利用点(0.12,1.37)和点(0.57,1.05)可求出这条直线斜率的绝对值(3)选用第3组和第4组数据求得的结果误差最大。由图知,当过第3组和第4组数据作直线时,此直线与原直线偏离最大,因此误差最大。答案 (1)见解析(2)1.46　0.71(3)3　4
实验探究拓展1.安阻法(1)实验原理用一个电流表和电阻箱测量,电路如图所示,测量原理为E=I1(R1+r),E=I2(R2+r),由此可求出E和r,此种方法使测得的电动势无偏差,内阻偏大。若已知电流表A的阻值可消除测内阻的系统误差。
(2)图像法处理数据
例3某同学通过查找资料自己动手制作了一个电池。该同学想测量一下这个电池的电动势E和内阻r,但是从实验室只借到一个开关、一个电阻箱(最大阻值为999.9 Ω,可当标准电阻用)、一只电流表(量程Ig=0.6 A,内阻rg=0.1 Ω)和若干导线。(1)请根据测定电动势E和内阻r的要求,设计图甲中器材的连接方式,把它们连接起来。
(3)在图丙上把描绘出的坐标点连成图线。 丙(4)根据图丙描绘出的图线可得出这个电池的电动势E=　　　V,内阻r=　　　　　 Ω。 
解析 (1)把各器件直接串联即可。
(2)当R=2.6 Ω时,由题图乙可知I=0.5 A, =2 A-1,坐标为(2,2.6)。
(3)图线是一条倾斜的直线。连线时不能连成折线;为减小偶然误差,个别偏离太远的点舍去。
答案 (1)(2)(3)见解析　(4)1.52　0.3
例4(2017·天津卷)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,将开关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滑片位置,得到电流表A1和A2的多组I1、I2数据,作出图像如右图。由I1-I2图像得到电池的电动势E=　　　　 V,内阻r=　　　　 Ω。
解析 (1)用多用电表的电压挡先测量a、b'间电压,读数不为零,可知a、b'间存在断路;若测量a、a'间电压,读数不为零,则aa'段存在断路,反之bb'段存在断路。(2)根据题中电路图可得E=I1(r1+R1)+(I1+I2)(r+R0)整理后可得
答案 (1)aa'　bb'　(2)1.4(1.36~1.44均可)　0.5(0.4~0.6均可)