高三物理一轮复习精讲精练第五讲电池电动势和内阻的测量(原卷版+解析)
展开考点一、伏安法测电源的电动势和内电阻
1.实验原理
闭合电路的欧姆定律。
2.实验器材
电池、电压表、电流表、滑动变阻器、开关、导线、坐标纸和刻度尺。
3.实验步骤
(1)电流表用0.6 A的量程,电压表用3 V的量程,按图连接好电路。
(2)把滑动变阻器的滑片移到使阻值最大的一端。
(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)。用同样的方法再测量几组I、U值,填入表格中。
(4)断开开关,拆除电路,整理好器材。
4.数据处理
(1)列方程求解:由U=E-Ir得eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(U1=E-I1r,U2=E-I2r)),解得E、r。
(2)用作图法处理数据,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=eq \f(E,r)。
③图线的斜率表示r=|eq \f(ΔU,ΔI)|。
5.注意事项
(1)为了使路端电压变化明显,可使用内阻较大的旧电池。
(2)电流不要过大,应小于0.5 A,读数要快。
(3)要测出不少于6组的(I,U)数据,变化范围要大些。
(4)若U-I图线纵轴刻度不从零开始,则图线和横轴的交点不再是短路电流,内阻应根据r=|eq \f(ΔU,ΔI)|确定。
(5)干电池内阻较小时,U的变化较小,此时,坐标图中数据点将呈现如图甲所示的状况,使下部大面积空间得不到利用。为此,可使纵坐标不从零开始而是根据测得的数据从某一恰当值开始(横坐标I必须从零开始),如图乙所示,并且把纵坐标的比例放大,可使结果的误差减小。此时图线与横轴交点不表示短路电流,而图线与纵轴交点的纵坐标仍为电动势。要在直线上任取两个相距较远的点,用r=|eq \f(ΔU,ΔI)|,计算出电池的内阻r。
6.误差来源
(1)偶然误差:用图像法求E和r时作图不准确。
(2)系统误差:电压表分流。
(3)本实验中测量结果是:E测<E真,r测<r真。
例1、(2020·浙江7月选考·18)某同学分别用图甲和图乙的电路测量同一节干电池的电动势和内阻.
(1)在方框中画出图乙的电路图;
(2)某次测量时电流表和电压表的示数如图丙所示,则电流I=_______ A,电压U=_______ V;
(3)实验得到如图丁所示的两条直线,图中直线Ⅰ对应电路是图________(选填“甲”或“乙”);
(4)该电池的电动势E=________ V(保留三位有效数字),内阻r=________ Ω(保留两位有效数字).
例2、(2020·山东高考)实验方案对实验测量的精度有直接的影响,某学习小组对“测量电源的电动势和内阻”的实验方案进行了探究。实验室提供的器材有:
干电池一节(电动势约1.5 V,内阻小于1 Ω);
电压表V(量程3 V,内阻约3 kΩ);
电流表A(量程0.6 A,内阻约1 Ω);
滑动变阻器R(最大阻值为20 Ω);
定值电阻R1(阻值2 Ω);
定值电阻R2(阻值5 Ω);
开关一个,导线若干。
(1)该小组按照图甲所示的电路进行实验,通过调节滑动变阻器阻值使电流表示数逐渐接近满偏,记录此过程中电压表和电流表的示数,利用实验数据在UI坐标纸上描点,如图乙所示,结果发现电压表示数的变化范围比较小,出现该现象的主要原因是________________。(单选,填正确答案标号)
A.电压表分流
B.干电池内阻较小
C.滑动变阻器最大阻值较小
D.电流表内阻较小
(2)针对电压表示数的变化范围比较小的问题,该小组利用实验室提供的器材改进了实验方案,重新测量得到的数据如下表所示。
请根据实验数据,回答以下问题:
①图丙的坐标纸上已标出后3组数据对应的坐标点,请在坐标纸上标出前4组数据对应的坐标点并画出UI图像。
②根据实验数据可知,所选的定值电阻为________(填“R1”或“R2”)。
③用笔画线代替导线,请在图丁上按照改进后的方案,将实物图连接成完整电路。
课堂随练
训练1、某实验小组欲测定一硅光电池的电动势和内电阻,可供选择的实验器材如下:
待测硅光电池E(电动势约为1.3 V,内阻约为100 Ω);
直流电流表A1(量程0~ 12 mA,内阻为50 Ω);
直流电流表A2(量程0~ 24 mA,内阻为5 Ω);
电压表V1(量程0~3 V,内阻约为3 kΩ);
电压表V2(量程0~ 1.5 V,内阻约为1.5 kΩ);
滑动变阻器R1(最大电阻200 Ω,额定电流0.1 A);
滑动变阻器R2(最大电阻20 Ω,额定电流1 A);
开关S、导线若干。
(1)为了完成上述实验,电流表应选______,电压表选________,滑动变阻器选________(选填所给器材的符号)。
(2)请在图虚线框中将实验电路图补充完整。
(3)该实验小组根据实验得到的数据,描点绘出了如图5甲所示的U-I图像。则该硅光电池的电动势为______ V,内阻为______Ω(结果均保留3位有效数字)。
(4)已知某非线性元件的伏安特性曲线如图乙所示,将该元件与所测硅光电池组成闭合回路,则该电池的效率为________%(结果保留2位有效数字)。
甲
乙
训练2、(2020·天津高考)某实验小组选用以下器材测定电池组的电动势和内阻,要求测量结果尽量准确。
电压表(量程0~3 V,内阻约为3 kΩ)
电流表(量程0~0.6 A,内阻约为1 Ω)
滑动变阻器(0~20 Ω,额定电流1 A)
待测电池组(电动势约为3 V,内阻约为1 Ω)
开关、导线若干
(1)该小组连接的实物电路如图所示,经仔细检查,发现电路中有一条导线连接不当,这条导线对应的编号是________。
(2)改正这条导线的连接后开始实验,闭合开关前,滑动变阻器的滑片P应置于滑动变阻器的________端。(填“a”或者“b”)
(3)实验中发现调节滑动变阻器时,电流表读数变化明显但电压表读数变化不明显。为了解决这个问题,在电池组负极和开关之间串联一个阻值为5 Ω的电阻,之后该小组得到了几组电压表读数U和对应的电流表读数I,并作出UI图像,如图所示。根据图像可知,电池组的电动势为________ V,内阻为________ Ω。(结果均保留两位有效数字)
考点二、安阻法测电动势和内电阻
1.实验原理
闭合电路的欧姆定律E=IR+Ir,电路图如图所示.
2.实验器材
电池、电流表、电阻箱、开关、导线、坐标纸和刻度尺.
3.数据处理
(1)计算法:由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(E=I1R1+I1r,E=I2R2+I2r))
解方程组求得E,r.
(2)图像法:由E=I(R+r)可得
①eq \f(1,I)=eq \f(1,E)R+eq \f(r,E),可作eq \f(1,I)-R图像(如图甲)
eq \f(1,I)-R图像的斜率k=eq \f(1,E),纵轴截距为eq \f(r,E)
②R=E·eq \f(1,I)-r,可作R-eq \f(1,I)图像(如图乙)
R-eq \f(1,I)图像的斜率k=E,纵轴截距为-r.
4.误差分析
(1)误差来源:电流表有电阻,导致内阻测量不准确;
(2)结论:E测=E真,r测>r真(r测=r真+rA).
例1、(2018·江苏高考)一同学测量某干电池的电动势和内阻。
(1)如图所示是该同学正准备接入最后一根导线(图中虚线所示)时的实验电路。请指出图中在器材操作上存在的两个不妥之处________________;____________。
(2)实验测得的电阻箱阻值R和电流表示数I,以及计算的eq \f(1,I)数据见下表:
根据表中数据,在方格纸上作出Req \f(1,I)关系图象,由图象可计算出该干电池的电动势为________ V;内阻为________ Ω。
(3)为了得到更准确的测量结果,在测出上述数据后,该同学将一只量程为100 mV的电压表并联在电流表的两端。调节电阻箱,当电流表的示数为0.33 A时,电压表的指针位置如图所示,则该干电池的电动势应为________ V;内阻应为________ Ω。
课堂随练
训练1、(2021·湖南卷,12)某实验小组需测定电池的电动势和内阻,器材有:一节待测电池、一个单刀双掷开关、一个定值电阻(阻值为R0)、一个电流表(内阻为RA)、一根均匀电阻丝(电阻丝总阻值大于R0,并配有可在电阻丝上移动的金属夹)、导线若干。由于缺少刻度尺,无法测量电阻丝长度,但发现桌上有一个圆形时钟表盘。某同学提出将电阻丝绕在该表盘上,利用圆心角来表示接入电路的电阻丝长度。主要实验步骤如下:
(1)将器材如图(a)连接;
(c)
(2)开关闭合前,金属夹应夹在电阻丝的________端(填“a”或“b”);
(3)改变金属夹的位置,闭合开关,记录每次接入电路的电阻丝对应的圆心角θ和电流表示数I,得到多组数据;
(4)整理数据并在坐标纸上描点绘图,所得图像如图(b)所示,图线斜率为k,与纵轴截距为d,设单位角度对应电阻丝的阻值为r0,该电池电动势和内阻可表示为E=________,r=________(用R0、RA、k、d、r0表示);
(5)为进一步确定结果,还需要测量单位角度对应电阻丝的阻值r0,利用现有器材设计实验,在图(c)方框中画出实验电路图(电阻丝用滑动变阻器符号表示);
(6)利用测出的r0,可得该电池的电动势和内阻。
考点三、伏阻法测电动势和内电阻
1.实验原理
闭合电路欧姆定律E=U+eq \f(U,R)r,电路图如图所示.
2.实验器材
电池、电压表、电阻箱、开关、导线、坐标纸和刻度尺.
3.数据处理
(1)计算法:由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(E=U1+\f(U1,R1)r,E=U2+\f(U2,R2)r))
解方程组可求得E和r.
(2)图像法:由E=U+eq \f(U,R)r得:eq \f(1,U)=eq \f(1,E)+eq \f(r,E)·eq \f(1,R).故eq \f(1,U)-eq \f(1,R)图像的斜率k=eq \f(r,E),纵轴截距为eq \f(1,E),如图.
4.误差分析
(1)误差来源:电压表有内阻,干路电流表达式不准确,导致电动势测量不准确;
(2)结论:E测<E真,r测<r真.
例1、(2021·全国乙卷·23)一实验小组利用图(a)所示的电路测量一电池的电动势E(约1.5 V)和内阻r(小于2 Ω).图中电压表量程为1 V,内阻RV=380.0 Ω;定值电阻R0=20.0 Ω;电阻箱R最大阻值为999.9 Ω;S为开关.按电路图连接电路.完成下列填空:
(1)为保护电压表,闭合开关前,电阻箱接入电路的电阻值可以选________Ω(填“5.0”或“15.0”);
(2)闭合开关,多次调节电阻箱,记录下阻值R和电压表的相应读数U;
(3)根据图(a)所示电路,用R、R0、RV、E和r表示eq \f(1,U),得eq \f(1,U)=________;
(4)利用测量数据,作eq \f(1,U)-R图线,如图(b)所示:
(5)通过图(b)可得E=________V(保留2位小数),r=________Ω(保留1位小数);
(6)若将图(a)中的电压表当成理想电表,得到的电源电动势为E′,由此产生的误差为eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(\f(E′-E,E)))×100%=________%.
课堂随练
训练1、某同学要测量一节干电池的电动势和内阻,实验器材仅有一个电压表(内阻很大)、一个电阻箱、一个开关和导线若干,该同学按如图甲所示的电路进行实验,测得的数据如下表所示。
(1)根据表中提供的数据,若利用图像确定电池的电动势和内阻,则应作________(填选项前的字母)。
A.Ueq \f(U,R)图像 B.RU图像
C.Req \f(U,R)图像 D.eq \f(1,R) U图像
(2)根据(1),利用测得的数据,在图乙的坐标纸上画出适当的图像。
(3)由(2)中作出的图像可知,该电池的电动势E=________ V,内阻r=________ Ω。
同步训练
1、某中学生课外科技活动小组利用铜片、锌片和家乡盛产的橙子制作了橙子电池,电动势不足1 V,内阻上千欧。
(1)甲同学用如图a所示的实验电路测量这种电池的电动势E和内阻r。实验室提供备用的器材如下:
A.电流表A1:内阻为0.5 Ω,量程为0~0.6 A
B.电流表A2:内阻为100 Ω,量程为0~300 μA
C.电阻箱R1(0~100 Ω)
D.电阻箱R2(0~9999 Ω)
E.开关一个,导线若干
实验中,电流表应选________,电阻箱应选________。(填写所给器材的序号)
(2)甲同学正确连接电路后,调节电阻箱R的阻值,得到的测量数据如下表所示。根据实验数据计算出电阻箱R两端的电压,作出的UI图像如图b所示,则从图像中得出该橙子电池的电动势为E=________ V,内阻为r=________ kΩ。(均保留两位有效数字)。
(3)乙同学将四个这样的橙子电池串联起来给“2.5 V,0.5 A”的小灯泡供电,灯泡仍不发光,检查电路无故障,分析灯泡不亮的原因是:________________________________________________________________________________。
2、在测量电源电动势和内阻的实验中,实验室提供了如下器材和参考电路:
电压表V1(量程3 V,内阻约6 kΩ)
电压表V2(量程1 V,内阻约6 kΩ)
电流表A1(量程0.6 A,内阻约0.1 Ω)
电流表A2(量程2 mA,内阻约1 Ω)
滑动变阻器R1(最大阻值3 kΩ)
滑动变阻器R2(最大阻值10 Ω)
定值电阻R3(阻值1 Ω)
开关,导线若干
(1)甲同学想要测量马铃薯电池的电动势(约1.0 V)和内阻(约500 Ω)。选用合适器材后,应选择最优电路_________(填写参考电路对应的字母)进行测量。
(2)乙同学想要测量一节新干电池的电动势和内阻。选用合适器材后,应选择最优电路___________(填写参考电路对应的字母)进行测量。
(3)乙同学将测得的数据在坐标纸上描点如图。请画出UI图像,并求出电动势E为___________ V,内阻r为________ Ω(小数点后保留2位)
3、某兴趣小组为了测量电动车上电池的电动势E(约为36 V)和内阻r(约为10 Ω),需要将一个量程为15 V的电压表(内阻Rg约为10 kΩ)改装成量程为45 V的电压表,然后再测量电池的电动势和内阻.以下是该实验的操作过程.
(1)由于不知道该电压表内阻的确切值,该小组将一个最大阻值为50 kΩ的电位器RP(可视为可变电阻)与电压表串联后,利用如图甲所示的电路进行改装,请完成③的填空.
①将总阻值较小的滑动变阻器的滑片P移至最右端,同时将电位器的阻值调为零;
②闭合开关S,将滑动变阻器的滑片P调到适当位置,使电压表的示数为9 V;
③保持滑动变阻器滑片P的位置不变,调节电位器,使电压表的示数为________ V;
④不再改变电位器的阻值,保持电压表和电位器串联,撤去其他电路,即可得到量程为45 V的电压表.
(2)该小组利用一个电阻箱R(阻值范围0~999.9 Ω)和改装后的电压表(电压表的表盘没有改变,读数记为U)连接成如图乙所示的测量电路来测量该电池的电动势和内阻.该小组首先得出了eq \f(1,R)与eq \f(1,U)的关系式为eq \f(1,R)=________(用E、r和U表示),然后根据测得的电阻值R和电压表的读数U作出eq \f(1,R)-eq \f(1,U)图像如图丙所示,则该电池的电动势E=______ V、内阻r=________ Ω;
(3)不考虑电压表改装时的误差.利用图乙所示电路测得的电动势E测和内阻r测与真实值E真和r真相比,E测________E真,r测________r真(填“大于”“等于”或“小于”).
4、利用如图(a)所示电路,可以测量电源的电动势和内阻,所用的实验器材有:
待测电源,电阻箱R(最大阻值999.9 Ω),电阻R0(阻值为3.0 Ω),电阻R1(阻值为3.0 Ω),电流表(量程为200 mA,内阻为RA=6.0 Ω),开关S.
实验步骤如下:
①将电阻箱阻值调到最大,闭合开关S;
②多次调节电阻箱,记下电流表的示数I和电阻箱相应的阻值R;
③以eq \f(1,I)为纵坐标,R为横坐标,作eq \f(1,I)-R图线(用直线拟合);
④求出直线的斜率k和在纵轴上的截距b.
回答下列问题:
(1)分别用E和r表示电源的电动势和内阻,则eq \f(1,I)与R的关系式为________________.
(2)实验得到的部分数据如下表所示,其中电阻R=3.0 Ω时,电流表的示数如图(b)所示,读出数据,完成下表.答:①________,②________.
(3)在图(c)的坐标纸上描点并作图,根据图线求得斜率k=_____ A-1·Ω-1,截距b=_____ A-1.
(4)根据图线求得电源电动势E=________ V,内阻r=________ Ω.
序号
1
2
3
4
5
6
7
I/A
0.08
0.14
0.20
0.26
0.32
0.36
0.40
U/V
1.35
1.20
1.05
0.88
0.73
0.71
0.52
R/Ω
8.0
7.0
6.0
5.0
4.0
I/A
0.15
0.17
0.19
0.22
0.26
eq \f(1,I)/A-1
6.7
6.0
5.3
4.5
3.8
实验次数
1
2
3
4
5
R/Ω
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
U/V
1.00
1.19
1.27
1.31
1.35
eq \f(U,R)/A
0.50
0.30
0.21
0.16
0.13
R/kΩ
9
8
7
6
5
4
3
I/μA
92
102
115
131
152
180
220
R/Ω
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
I/A
0.143
0.125
①
0.100
0.091
0.084
eq \f(1,I)/
A-1
6.99
8.00
②
10.0
11.0
11.9
第五讲 电池电动势和内阻的测量
知识梳理
考点一、伏安法测电源的电动势和内电阻
1.实验原理
闭合电路的欧姆定律。
2.实验器材
电池、电压表、电流表、滑动变阻器、开关、导线、坐标纸和刻度尺。
3.实验步骤
(1)电流表用0.6 A的量程,电压表用3 V的量程,按图连接好电路。
(2)把滑动变阻器的滑片移到使阻值最大的一端。
(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)。用同样的方法再测量几组I、U值,填入表格中。
(4)断开开关,拆除电路,整理好器材。
4.数据处理
(1)列方程求解:由U=E-Ir得eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(U1=E-I1r,U2=E-I2r)),解得E、r。
(2)用作图法处理数据,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=eq \f(E,r)。
③图线的斜率表示r=|eq \f(ΔU,ΔI)|。
5.注意事项
(1)为了使路端电压变化明显,可使用内阻较大的旧电池。
(2)电流不要过大,应小于0.5 A,读数要快。
(3)要测出不少于6组的(I,U)数据,变化范围要大些。
(4)若U-I图线纵轴刻度不从零开始,则图线和横轴的交点不再是短路电流,内阻应根据r=|eq \f(ΔU,ΔI)|确定。
(5)干电池内阻较小时,U的变化较小,此时,坐标图中数据点将呈现如图甲所示的状况,使下部大面积空间得不到利用。为此,可使纵坐标不从零开始而是根据测得的数据从某一恰当值开始(横坐标I必须从零开始),如图乙所示,并且把纵坐标的比例放大,可使结果的误差减小。此时图线与横轴交点不表示短路电流,而图线与纵轴交点的纵坐标仍为电动势。要在直线上任取两个相距较远的点,用r=|eq \f(ΔU,ΔI)|,计算出电池的内阻r。
6.误差来源
(1)偶然误差:用图像法求E和r时作图不准确。
(2)系统误差:电压表分流。
(3)本实验中测量结果是:E测<E真,r测<r真。
例1、(2020·浙江7月选考·18)某同学分别用图甲和图乙的电路测量同一节干电池的电动势和内阻.
(1)在方框中画出图乙的电路图;
(2)某次测量时电流表和电压表的示数如图丙所示,则电流I=_______ A,电压U=_______ V;
(3)实验得到如图丁所示的两条直线,图中直线Ⅰ对应电路是图________(选填“甲”或“乙”);
(4)该电池的电动势E=________ V(保留三位有效数字),内阻r=________ Ω(保留两位有效数字).
【答案】(1)见解析图 (2)0.40(0.39~0.41均可) 1.30(1.29~1.31均可) (3)乙 (4)1.52(1.51~1.54均可) 0.53(0.52~0.54均可)
【解析】(1)如图所示
(2)测电池的电动势和内阻所用电流表量程为0~0.6 A,电压表量程为0~3.0 V,则两表示数分别为0.40 A(0.39 A~0.41 A均可)、1.30 V(1.29 V~1.31 V均可).
(3)由E=U+Ir,得U=E-Ir,即Ⅰ、Ⅱ两图线的斜率绝对值表示电源内阻,且rⅡ>rⅠ.
题图甲中由于电流表的分压作用,所测电阻为电源内阻与电流表电阻的和,r甲测>r;题图乙中由于电压表的分流作用,所测电阻为电源内阻与电压表电阻的并联值,r乙测
从直线Ⅰ上取两点代入E=U+Ir,或利用图线的斜率可得电池内阻r=0.53 Ω(0.52 Ω~0.54 Ω均正确).
例2、(2020·山东高考)实验方案对实验测量的精度有直接的影响,某学习小组对“测量电源的电动势和内阻”的实验方案进行了探究。实验室提供的器材有:
干电池一节(电动势约1.5 V,内阻小于1 Ω);
电压表V(量程3 V,内阻约3 kΩ);
电流表A(量程0.6 A,内阻约1 Ω);
滑动变阻器R(最大阻值为20 Ω);
定值电阻R1(阻值2 Ω);
定值电阻R2(阻值5 Ω);
开关一个,导线若干。
(1)该小组按照图甲所示的电路进行实验,通过调节滑动变阻器阻值使电流表示数逐渐接近满偏,记录此过程中电压表和电流表的示数,利用实验数据在UI坐标纸上描点,如图乙所示,结果发现电压表示数的变化范围比较小,出现该现象的主要原因是________________。(单选,填正确答案标号)
A.电压表分流
B.干电池内阻较小
C.滑动变阻器最大阻值较小
D.电流表内阻较小
(2)针对电压表示数的变化范围比较小的问题,该小组利用实验室提供的器材改进了实验方案,重新测量得到的数据如下表所示。
请根据实验数据,回答以下问题:
①图丙的坐标纸上已标出后3组数据对应的坐标点,请在坐标纸上标出前4组数据对应的坐标点并画出UI图像。
②根据实验数据可知,所选的定值电阻为________(填“R1”或“R2”)。
③用笔画线代替导线,请在图丁上按照改进后的方案,将实物图连接成完整电路。
【答案】(1)B (2)①图见解析图1 ②R1 ③图见解析图2
【解析】(1)电压表示数的变化范围比较小,原因是外电阻比电源内阻大得多,即干电池内阻较小,或滑动变阻器最大阻值较大,而与电压表分流和电流表内阻较小无关,故选B。
(2)①根据数据描点并画出UI图像如图1所示。
②因干电池内阻较小导致电压表示数变化范围较小,故改进后的方案是将干电池与定值电阻串联,作为等效内阻较大的等效电源。由图像可知r+R定=eq \f(1.56,0.6) Ω=2.6 Ω,干电池内阻小于1 Ω,则定值电阻阻值大于1.6 Ω,且小于2.6 Ω,可知所选定值电阻为R1。
③根据改进后的方案,定值电阻与干电池串联构成等效电源,其等效内阻与电流表内阻相近,远小于电压表内阻,故电流表应外接。实物电路图如图2所示。
课堂随练
训练1、某实验小组欲测定一硅光电池的电动势和内电阻,可供选择的实验器材如下:
待测硅光电池E(电动势约为1.3 V,内阻约为100 Ω);
直流电流表A1(量程0~ 12 mA,内阻为50 Ω);
直流电流表A2(量程0~ 24 mA,内阻为5 Ω);
电压表V1(量程0~3 V,内阻约为3 kΩ);
电压表V2(量程0~ 1.5 V,内阻约为1.5 kΩ);
滑动变阻器R1(最大电阻200 Ω,额定电流0.1 A);
滑动变阻器R2(最大电阻20 Ω,额定电流1 A);
开关S、导线若干。
(1)为了完成上述实验,电流表应选______,电压表选________,滑动变阻器选________(选填所给器材的符号)。
(2)请在图虚线框中将实验电路图补充完整。
(3)该实验小组根据实验得到的数据,描点绘出了如图5甲所示的U-I图像。则该硅光电池的电动势为______ V,内阻为______Ω(结果均保留3位有效数字)。
(4)已知某非线性元件的伏安特性曲线如图乙所示,将该元件与所测硅光电池组成闭合回路,则该电池的效率为________%(结果保留2位有效数字)。
甲
乙
【答案】(1)A1 V2 R1 (2)见解析图 (3)1.20 100 (4)25
【解析】(1)实验电路中短路电流约为I=eq \f(E,r)=13 mA,故电流表选A1;待测硅光电池电动势约为1.3 V,故选电压表V2。该实验电路为限流式接法,为了保护电路,需要选用最大阻值较大的变阻器,故选R1。
(2)根据上面的分析,补充完整后电路如图
(3)甲图中,纵轴截距为该硅光电池的电动势,即E=1.20 V
图线的斜率绝对值表示硅光电池的内阻与电流表内阻之和,即r+RA1=|k|=150 Ω
整理可得r=100 Ω。
(4)甲图和乙图的两段图像放到一个图中,找到交点为坐标为(6.00 mA,0.30 V)则η=eq \f(UI,EI)=eq \f(U,E)=25%。
训练2、(2020·天津高考)某实验小组选用以下器材测定电池组的电动势和内阻,要求测量结果尽量准确。
电压表(量程0~3 V,内阻约为3 kΩ)
电流表(量程0~0.6 A,内阻约为1 Ω)
滑动变阻器(0~20 Ω,额定电流1 A)
待测电池组(电动势约为3 V,内阻约为1 Ω)
开关、导线若干
(1)该小组连接的实物电路如图所示,经仔细检查,发现电路中有一条导线连接不当,这条导线对应的编号是________。
(2)改正这条导线的连接后开始实验,闭合开关前,滑动变阻器的滑片P应置于滑动变阻器的________端。(填“a”或者“b”)
(3)实验中发现调节滑动变阻器时,电流表读数变化明显但电压表读数变化不明显。为了解决这个问题,在电池组负极和开关之间串联一个阻值为5 Ω的电阻,之后该小组得到了几组电压表读数U和对应的电流表读数I,并作出UI图像,如图所示。根据图像可知,电池组的电动势为________ V,内阻为________ Ω。(结果均保留两位有效数字)
【答案】(1)5 (2)a (3)2.9 0.80
【解析】(1)与电流表的内阻和电压表的内阻相比,电池组的内阻较小,故对于电池组来说,应该采用电流表外接法,图中采用的是电流表内接法,故导线5连接不当,应该从电压表正接线柱接到电流表正接线柱(或电池组正极)。
(2)闭合开关前,应该使滑动变阻器连入电路的阻值最大,故滑动变阻器的滑片P应置于滑动变阻器的a端。
(3)在电池组负极和开关之间串联一个阻值为R=5 Ω的电阻,设电池组的电动势为E,内阻为r,根据闭合电路欧姆定律有E=U+I(R+r),变形得U=-(R+r)I+E。
结合图像可知E=2.9 V,R+r=|eq \f(ΔU,ΔI)|=5.80 Ω,则r=0.80 Ω。
考点二、安阻法测电动势和内电阻
1.实验原理
闭合电路的欧姆定律E=IR+Ir,电路图如图所示.
2.实验器材
电池、电流表、电阻箱、开关、导线、坐标纸和刻度尺.
3.数据处理
(1)计算法:由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(E=I1R1+I1r,E=I2R2+I2r))
解方程组求得E,r.
(2)图像法:由E=I(R+r)可得
①eq \f(1,I)=eq \f(1,E)R+eq \f(r,E),可作eq \f(1,I)-R图像(如图甲)
eq \f(1,I)-R图像的斜率k=eq \f(1,E),纵轴截距为eq \f(r,E)
②R=E·eq \f(1,I)-r,可作R-eq \f(1,I)图像(如图乙)
R-eq \f(1,I)图像的斜率k=E,纵轴截距为-r.
4.误差分析
(1)误差来源:电流表有电阻,导致内阻测量不准确;
(2)结论:E测=E真,r测>r真(r测=r真+rA).
例1、(2018·江苏高考)一同学测量某干电池的电动势和内阻。
(1)如图所示是该同学正准备接入最后一根导线(图中虚线所示)时的实验电路。请指出图中在器材操作上存在的两个不妥之处________________;____________。
(2)实验测得的电阻箱阻值R和电流表示数I,以及计算的eq \f(1,I)数据见下表:
根据表中数据,在方格纸上作出Req \f(1,I)关系图象,由图象可计算出该干电池的电动势为________ V;内阻为________ Ω。
(3)为了得到更准确的测量结果,在测出上述数据后,该同学将一只量程为100 mV的电压表并联在电流表的两端。调节电阻箱,当电流表的示数为0.33 A时,电压表的指针位置如图所示,则该干电池的电动势应为________ V;内阻应为________ Ω。
【答案】(1)开关未断开 电阻箱阻值为零
(2)图象如图所示 1.37(1.30~1.44都算正确) 1.20(1.0~1.4都算正确)
(3)1.37(结果与(2)问第一个空格一致) 1.00(结果比(2)问第二个空格小0.2)
【解析】(1)连接电路时电源应与电路断开,所以开关要断开;另一错误是电阻箱接入电路的电阻是零,这样容易烧坏电流表和电源。
(2)将数据描点连线,作出一条倾斜的直线。根据闭合电路欧姆定律E=I(R+r)得R=E·eq \f(1,I)-r,所以图线的斜率表示电源电动势,E=eq \f(8--1.2,6.7-0) V=1.37 V,截距绝对值表示电源内阻:r=0.4×3.0 Ω=1.20 Ω。
(3)用电压表与电流表并联,可测得电流表的内阻RA=eq \f(UA,IA)=eq \f(66×10-3,33×10-2) Ω=0.20 Ω,考虑电表内阻对实验的影响,则E=I(R+RA+r),得R=E·eq \f(1,I)-(RA+r),所以图线的斜率仍表示电动势,电动势的准确值为1.37 V,图线的截距绝对值表示(RA+r),所以内阻精确值为r=(1.20-0.20) Ω=1.00 Ω。
课堂随练
训练1、(2021·湖南卷,12)某实验小组需测定电池的电动势和内阻,器材有:一节待测电池、一个单刀双掷开关、一个定值电阻(阻值为R0)、一个电流表(内阻为RA)、一根均匀电阻丝(电阻丝总阻值大于R0,并配有可在电阻丝上移动的金属夹)、导线若干。由于缺少刻度尺,无法测量电阻丝长度,但发现桌上有一个圆形时钟表盘。某同学提出将电阻丝绕在该表盘上,利用圆心角来表示接入电路的电阻丝长度。主要实验步骤如下:
(1)将器材如图(a)连接;
(c)
(2)开关闭合前,金属夹应夹在电阻丝的________端(填“a”或“b”);
(3)改变金属夹的位置,闭合开关,记录每次接入电路的电阻丝对应的圆心角θ和电流表示数I,得到多组数据;
(4)整理数据并在坐标纸上描点绘图,所得图像如图(b)所示,图线斜率为k,与纵轴截距为d,设单位角度对应电阻丝的阻值为r0,该电池电动势和内阻可表示为E=________,r=________(用R0、RA、k、d、r0表示);
(5)为进一步确定结果,还需要测量单位角度对应电阻丝的阻值r0,利用现有器材设计实验,在图(c)方框中画出实验电路图(电阻丝用滑动变阻器符号表示);
(6)利用测出的r0,可得该电池的电动势和内阻。
【答案】(2)b (4)eq \f(r0,k) eq \f(dr0,k)-RA-R0 (5)见解析图
【解析】(2)为了保护电流表,闭合开关前应使电路中的电阻最大,故金属夹应夹在电阻丝的b端。
(4)由闭合电路的欧姆定律得E=I(r+RA+R0+θr0),整理得eq \f(1,I)=eq \f(1,E)(r+RA+R0)+eq \f(r0,E)θ,结合题图(b)可得k=eq \f(r0,E),d=eq \f(1,E)(r+RA+R0),解得E=eq \f(r0,k),r=eq \f(dr0,k)-RA-R0。
(5)实验电路图如图所示,先将单刀双掷开关S接1,记下电流表的示数I0,然后将单刀双掷开关S接2,移动金属夹的位置,直到电流表的示数为I0,记下此时接入电路的电阻丝对应的圆心角θ0,则r0=eq \f(R0,θ0)。
考点三、伏阻法测电动势和内电阻
1.实验原理
闭合电路欧姆定律E=U+eq \f(U,R)r,电路图如图所示.
2.实验器材
电池、电压表、电阻箱、开关、导线、坐标纸和刻度尺.
3.数据处理
(1)计算法:由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(E=U1+\f(U1,R1)r,E=U2+\f(U2,R2)r))
解方程组可求得E和r.
(2)图像法:由E=U+eq \f(U,R)r得:eq \f(1,U)=eq \f(1,E)+eq \f(r,E)·eq \f(1,R).故eq \f(1,U)-eq \f(1,R)图像的斜率k=eq \f(r,E),纵轴截距为eq \f(1,E),如图.
4.误差分析
(1)误差来源:电压表有内阻,干路电流表达式不准确,导致电动势测量不准确;
(2)结论:E测<E真,r测<r真.
例1、(2021·全国乙卷·23)一实验小组利用图(a)所示的电路测量一电池的电动势E(约1.5 V)和内阻r(小于2 Ω).图中电压表量程为1 V,内阻RV=380.0 Ω;定值电阻R0=20.0 Ω;电阻箱R最大阻值为999.9 Ω;S为开关.按电路图连接电路.完成下列填空:
(1)为保护电压表,闭合开关前,电阻箱接入电路的电阻值可以选________Ω(填“5.0”或“15.0”);
(2)闭合开关,多次调节电阻箱,记录下阻值R和电压表的相应读数U;
(3)根据图(a)所示电路,用R、R0、RV、E和r表示eq \f(1,U),得eq \f(1,U)=________;
(4)利用测量数据,作eq \f(1,U)-R图线,如图(b)所示:
(5)通过图(b)可得E=________V(保留2位小数),r=________Ω(保留1位小数);
(6)若将图(a)中的电压表当成理想电表,得到的电源电动势为E′,由此产生的误差为eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(\f(E′-E,E)))×100%=________%.
【答案】(1)15.0 (3)eq \f(R0+RV,ERVR0)·R+eq \f(1,E)+ (5)1.55 1.0 (6)5
【解析】(1)为了避免电压表被烧坏,接通电路时电压表两端的电压不能比电压表满偏电压大,当电压表满偏时有eq \f(Um,\f(RVR0,RV+R0))=eq \f(E-Um,R+r)
代入数据解得R+r=9.5 Ω,故R>7.5 Ω
因此电阻箱接入电路的电阻值选15.0 Ω.
(3)由闭合回路的欧姆定律可得E=U+eq \f(U,\f(RVR0,RV+R0))(R+r)
化简可得eq \f(1,U)=eq \f(R0+RV,ERVR0)·R+eq \f(1,E)+eq \f(RV+R0,ERVR0)r
(5)由上面公式可得eq \f(R0+RV,ERVR0)=k=eq \f(1,19E),
eq \f(1,E)+eq \f(RV+R0,ERVR0)r=b=eq \f(1,E)+eq \f(r,19E)
由eq \f(1,U)-R图像计算可得k≈0.034 V-1·Ω
延长图线,得到图线与纵轴的交点为0.85 V-1,则有0.85 V-1=eq \f(1,E)+eq \f(r,19E)+eq \f(5,19E)(V-1)
代入可得E≈1.55 V,r≈1.0 Ω.
(6)如果电压表为理想电压表,则有eq \f(1,U)=eq \f(1,E)+eq \f(r,ER0)+eq \f(1,ER0)R
则此时E′=eq \f(1,20k)
因此误差为eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(\f(\f(1,20k)-\f(1,19k),\f(1,19k))))×100%=5%.
课堂随练
训练1、某同学要测量一节干电池的电动势和内阻,实验器材仅有一个电压表(内阻很大)、一个电阻箱、一个开关和导线若干,该同学按如图甲所示的电路进行实验,测得的数据如下表所示。
(1)根据表中提供的数据,若利用图像确定电池的电动势和内阻,则应作________(填选项前的字母)。
A.Ueq \f(U,R)图像 B.RU图像
C.Req \f(U,R)图像 D.eq \f(1,R) U图像
(2)根据(1),利用测得的数据,在图乙的坐标纸上画出适当的图像。
(3)由(2)中作出的图像可知,该电池的电动势E=________ V,内阻r=________ Ω。
【答案】(1)A (2)见解析图 (3)1.47 0.94
【解析】(1)由闭合电路欧姆定律可知E=U+eq \f(U,R)r,变形得U=E-eq \f(U,R)r,则应作Ueq \f(U,R)图像,可得到一条倾斜的直线,故A正确。
(2)描点连线时,应让尽可能多的点落在直线上,如图所示。
(3)由闭合电路欧姆定律可知,图像的纵截距表示电动势,故E=1.47 V,图像斜率的绝对值表示内阻,故r=0.94 Ω。
同步训练
1、某中学生课外科技活动小组利用铜片、锌片和家乡盛产的橙子制作了橙子电池,电动势不足1 V,内阻上千欧。
(1)甲同学用如图a所示的实验电路测量这种电池的电动势E和内阻r。实验室提供备用的器材如下:
A.电流表A1:内阻为0.5 Ω,量程为0~0.6 A
B.电流表A2:内阻为100 Ω,量程为0~300 μA
C.电阻箱R1(0~100 Ω)
D.电阻箱R2(0~9999 Ω)
E.开关一个,导线若干
实验中,电流表应选________,电阻箱应选________。(填写所给器材的序号)
(2)甲同学正确连接电路后,调节电阻箱R的阻值,得到的测量数据如下表所示。根据实验数据计算出电阻箱R两端的电压,作出的UI图像如图b所示,则从图像中得出该橙子电池的电动势为E=________ V,内阻为r=________ kΩ。(均保留两位有效数字)。
(3)乙同学将四个这样的橙子电池串联起来给“2.5 V,0.5 A”的小灯泡供电,灯泡仍不发光,检查电路无故障,分析灯泡不亮的原因是:________________________________________________________________________________。
【答案】(1)B D (2)0.95 1.2
(3)橙子电池的内阻太大,回路电流太小,路端电压太小,灯泡实际功率太小
【解析】(1)橙子电池的电动势很小、内阻很大,为使电表有明显示数,电流表应选择B,电阻箱应选择D。
(2)根据图a所示电路图,由闭合电路的欧姆定律可知E=I(R+RA2+r)=IR+I(RA2+r)=U+I(RA2+r),整理得:U=E-I(RA2+r),由图b所示图像可知,橙子电池电动势E=0.950 V,图像斜率的绝对值k=RA2+r=eq \f(0.950-0.500,360×10-6) Ω,得橙子电池的内阻r=1.2 kΩ。
(3)橙子电池的内阻太大,回路中电流太小,路端电压太小,灯泡实际功率太小,灯泡不发光。
2、在测量电源电动势和内阻的实验中,实验室提供了如下器材和参考电路:
电压表V1(量程3 V,内阻约6 kΩ)
电压表V2(量程1 V,内阻约6 kΩ)
电流表A1(量程0.6 A,内阻约0.1 Ω)
电流表A2(量程2 mA,内阻约1 Ω)
滑动变阻器R1(最大阻值3 kΩ)
滑动变阻器R2(最大阻值10 Ω)
定值电阻R3(阻值1 Ω)
开关,导线若干
(1)甲同学想要测量马铃薯电池的电动势(约1.0 V)和内阻(约500 Ω)。选用合适器材后,应选择最优电路_________(填写参考电路对应的字母)进行测量。
(2)乙同学想要测量一节新干电池的电动势和内阻。选用合适器材后,应选择最优电路___________(填写参考电路对应的字母)进行测量。
(3)乙同学将测得的数据在坐标纸上描点如图。请画出UI图像,并求出电动势E为___________ V,内阻r为________ Ω(小数点后保留2位)
【答案】(1)A (2)C (3)见解析图 1.48 0.10
【解析】(1)马铃薯电池的电动势较小,B图中电压表分流,所以电流表测量的干路电流偏小,则电动势测量值偏小,所以不宜选用;选择A图测量的干路电流I准确,根据闭合电路欧姆定律E=U+Ir可知当I=0时,断路电压即为电动势,所以A图能准确测量马铃薯的电动势,内阻测量偏大,为电流表和马铃薯内阻之和,但因为马铃薯内阻远大于电流表内阻,所以误差较小,故选A图。
(2)新的干电池内阻较小,所以需要给电池串联一个定值电阻R3,方便测量,而D图中测量的内阻为电流表内阻、电源内阻和定值电阻R3之和,因为干电池内阻较小,所以内阻的测量会存在较大误差,所以选择C图。
(3)做出UI图像如图
根据闭合电路欧姆定律E=U+Ir变形得U=E-Ir,则图像纵截距即为电源电动势E=1.48 V。根据图像斜率可知r=R3+r0=eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(\f(1.0-1.483,0.44)))Ω=1.10 Ω,则电源内阻为r0=r-R3=1.10 Ω-1 Ω=0.10 Ω。
3、某兴趣小组为了测量电动车上电池的电动势E(约为36 V)和内阻r(约为10 Ω),需要将一个量程为15 V的电压表(内阻Rg约为10 kΩ)改装成量程为45 V的电压表,然后再测量电池的电动势和内阻.以下是该实验的操作过程.
(1)由于不知道该电压表内阻的确切值,该小组将一个最大阻值为50 kΩ的电位器RP(可视为可变电阻)与电压表串联后,利用如图甲所示的电路进行改装,请完成③的填空.
①将总阻值较小的滑动变阻器的滑片P移至最右端,同时将电位器的阻值调为零;
②闭合开关S,将滑动变阻器的滑片P调到适当位置,使电压表的示数为9 V;
③保持滑动变阻器滑片P的位置不变,调节电位器,使电压表的示数为________ V;
④不再改变电位器的阻值,保持电压表和电位器串联,撤去其他电路,即可得到量程为45 V的电压表.
(2)该小组利用一个电阻箱R(阻值范围0~999.9 Ω)和改装后的电压表(电压表的表盘没有改变,读数记为U)连接成如图乙所示的测量电路来测量该电池的电动势和内阻.该小组首先得出了eq \f(1,R)与eq \f(1,U)的关系式为eq \f(1,R)=________(用E、r和U表示),然后根据测得的电阻值R和电压表的读数U作出eq \f(1,R)-eq \f(1,U)图像如图丙所示,则该电池的电动势E=______ V、内阻r=________ Ω;
(3)不考虑电压表改装时的误差.利用图乙所示电路测得的电动势E测和内阻r测与真实值E真和r真相比,E测________E真,r测________r真(填“大于”“等于”或“小于”).
【答案】(1)3 (2)eq \f(E,3r)·eq \f(1,U)-eq \f(1,r) 36 8 (3)小于 小于
【解析】(1)由于电压表的内阻不确定,所以不能采用教材提供的方法进行改装.但由于电压表的量程为15 V,所以要想将电压表改装成量程为45 V的电压表,电位器承担的电压应该是电压表电压的两倍,由于二者之间是串联关系,所以电位器的阻值应调节为电压表内阻的两倍,因此,当电压表的示数为9 V时,只需调节电位器,使电压表的示数变为3 V即可;
(2)由闭合电路欧姆定律可知3U=E-eq \f(3U,R)·r,整理可得eq \f(1,R)=eq \f(E,3r)·eq \f(1,U)-eq \f(1,r)
故由图像可得eq \f(1,r)=eq \f(1,8),eq \f(E,3r)=eq \f(3,2)
解得E=36 V,r=8 Ω
(3)设电压表和电位器的总阻值为R′,则由闭合电路欧姆定律可得3U=E真-(eq \f(3U,R)+eq \f(3U,R′))·r真,整理得eq \f(1,R)=eq \f(E真,3r真)·eq \f(1,U)-(eq \f(1,R′)+eq \f(1,r真))
而eq \f(1,R)=eq \f(E测,3r测)·eq \f(1,U)-eq \f(1,r测),故有E测<E真,r测<r真.
4、利用如图(a)所示电路,可以测量电源的电动势和内阻,所用的实验器材有:
待测电源,电阻箱R(最大阻值999.9 Ω),电阻R0(阻值为3.0 Ω),电阻R1(阻值为3.0 Ω),电流表(量程为200 mA,内阻为RA=6.0 Ω),开关S.
实验步骤如下:
①将电阻箱阻值调到最大,闭合开关S;
②多次调节电阻箱,记下电流表的示数I和电阻箱相应的阻值R;
③以eq \f(1,I)为纵坐标,R为横坐标,作eq \f(1,I)-R图线(用直线拟合);
④求出直线的斜率k和在纵轴上的截距b.
回答下列问题:
(1)分别用E和r表示电源的电动势和内阻,则eq \f(1,I)与R的关系式为________________.
(2)实验得到的部分数据如下表所示,其中电阻R=3.0 Ω时,电流表的示数如图(b)所示,读出数据,完成下表.答:①________,②________.
(3)在图(c)的坐标纸上描点并作图,根据图线求得斜率k=_____ A-1·Ω-1,截距b=_____ A-1.
(4)根据图线求得电源电动势E=________ V,内阻r=________ Ω.
【答案】(1)eq \f(1,I)=eq \f(3,E)R+eq \f(15+3r,E) (2)0.110 9.09 (3)见解析图 1.0(0.96~1.04均可) 6.0(5.9~6.1均可) (4)3.0(2.7~3.3均可) 1.0(0.6~1.4均可)
【解析】(1)根据闭合电路欧姆定律有
E=(eq \f(IRA,R1)+I)(R+R0+r)+IRA,
代入数据,化简得eq \f(1,I)=eq \f(3,E)R+eq \f(15+3r,E).
(2)电流表每小格表示4 mA,因此电流表读数I=0.110 A,eq \f(1,I)≈9.09 A-1.
(3)在坐标纸上描点,画出一条直线,得出斜率k=1.0 A-1·Ω-1,截距b=6.0 A-1.
(4)斜率k=eq \f(3,E),因此E=3.0 V,纵截距b=eq \f(15+3r,E),因此 r=1.0 Ω.
序号
1
2
3
4
5
6
7
I/A
0.08
0.14
0.20
0.26
0.32
0.36
0.40
U/V
1.35
1.20
1.05
0.88
0.73
0.71
0.52
R/Ω
8.0
7.0
6.0
5.0
4.0
I/A
0.15
0.17
0.19
0.22
0.26
eq \f(1,I)/A-1
6.7
6.0
5.3
4.5
3.8
实验次数
1
2
3
4
5
R/Ω
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
U/V
1.00
1.19
1.27
1.31
1.35
eq \f(U,R)/A
0.50
0.30
0.21
0.16
0.13
R/kΩ
9
8
7
6
5
4
3
I/μA
92
102
115
131
152
180
220
R/Ω
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
I/A
0.143
0.125
①
0.100
0.091
0.084
eq \f(1,I)/
A-1
6.99
8.00
②
10.0
11.0
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高三物理一轮复习精讲精练第一讲功和功率(原卷版+解析): 这是一份高三物理一轮复习精讲精练第一讲功和功率(原卷版+解析),共40页。试卷主要包含了功的概念,功率,功率的分析和计算等内容,欢迎下载使用。
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