高中物理人教版 (2019)必修 第三册3 实验：电池电动势和内阻的测量课堂检测

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TOC \ "1-3" \t "正文,1" \h
\l "_Tc1161" 【题型1 实验原理与操作】
\l "_Tc25206" 【题型2 数据处理与误差分析】
\l "_Tc9103" 【题型3 实验目的的创新】
\l "_Tc6522" 【题型4 实验器材的创新】
\l "_Tc10925" 【题型5 实验原理的创新】
\l "_Tc2094" 【题型6 数据处理的创新】
\l "_Tc22177" 【题型7 多用电表测电阻】
【题型1 实验原理与操作】
【例1】为了测量一节干电池的电动势和内阻,某同学采用了伏安法,现备有下列器材:
A.被测干电池一节
B.电流表1:量程为0~0.6 A,内阻r=0.3 Ω
C.电流表2:量程为0~0.6 A,内阻约为0.1 Ω
D.电压表1:量程为0~3 V,内阻未知
E.电压表2:量程为0~15 V,内阻未知
F.滑动变阻器1:0~10 Ω,允许通过的最大电流为2 A
G.滑动变阻器2:0~100 Ω,允许通过的最大电流为1 A
H.开关、导线若干
在用伏安法测电池电动势和内阻的实验中,由于电流表和电压表内阻的影响,测量结果存在系统误差;在现有器材的条件下,要尽可能准确地测量电池的电动势和内阻。
(1)在上述器材中请选择适当的器材: (填写选项前的字母)。
(2)实验电路图应选择下图中的 (选填“甲”或“乙”)。
甲 乙 丙
(3)根据实验中电流表和电压表的示数得到了如图丙所示的U-I图象,则干电池的电动势E= V,内阻r= Ω。
【答案】(1)ABDFH (2)甲 (3)1.5 0.7
【变式1-1】某物理兴趣小组准备测量一节干电池的电动势和内阻，实验室提供了如下器材：
A．电流表A1(量程3 mA，内阻为199 Ω)
B．电流表A2(量程1 500 mA，内阻为1 Ω)
C．电压表V(量程3 V，内阻很大)
D．滑动变阻器R1(阻值范围0～5 Ω，额定电流2 A)
E．滑动变阻器R2(阻值范围0～500 Ω，额定电流1 A)
F．定值电阻R3＝1 Ω
G．定值电阻R4＝1 kΩ
以及待测干电池，开关、导线若干。
同学们根据提供的器材，设计了如图甲所示的实验电路图。
(1)请根据电路图，将实物图中连线补充完整。
(2)该小组查阅资料知干电池的内阻约为3 Ω，为了尽量减小误差且方便操作，图中电流表应选择______(填“A1”或“A2”)，滑动变阻器应选择________(填“R1”或“R2”)，定值电阻应选择________(填“R3”或“R4”)。
(3)同学们利用上述实验装置测得了多组实验数据，并将电流表的读数作为横坐标，电压表的读数作为纵坐标，选取合适的标度，绘制了如图丙所示的图线。则该小组同学测定的干电池电动势E＝________V，内阻r＝________Ω。(填含有a、b、c的表达式)
解析：(1)实物连线图如图所示。
(2)因测量一节干电池的电动势，干电池的内阻约为3 Ω，因此电路的最大电流约为500 mA，因此选A2量程过大，因此要选择A1并联电阻改装电流表即可，则电流表选择A1；滑动变阻器R2阻值过大，不方便操作，则滑动变阻器选择R1；定值电阻选择R3以后可将电流表A1改为600 mA量程，满足实验要求。
(3)若设电流表的读数为I，电压表读数为U，则电路中的总电流为200I，由闭合电路的欧姆定律：U＝E－200rI，由图像可知E＝a；|k|＝200r＝eq \f(a－b,c×10－3)，解得r＝eq \f(5a－b,c)。
答案：(1)见解析图 (2)A1 R1 R3 (3)a
eq \f(5a－b,c)
【变式1-2】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U－I图象，并求出电动势E为________ V，内阻r为________ Ω(小数点后保留两位)。
答案 (1)A (2)C (3)1.49 0.11
解析 (1)因为电池的内阻较大，所以应该电流表分压不显著，定值电阻为1欧姆，对电路起不到保护作用，故没必要使用，故应采用A电路；电压表选V2，电流表选A2，滑动变阻器选R1。
(2)新干电池内阻较小，电流表分压作用明显，所以应外接，又因为干电池电动势为1.5 V，为了保护电路，应使用定值R3，故电路应选用C；电压表选V1，电流表选A1，滑动变阻器选R2。
(3)将描点进行连线，根据U＝E－I(R3＋r)，得电池的电动势为E＝1.49 V，内阻r＝|eq \f(ΔU,ΔI)|－R3＝eq \f(0.49,0.44) Ω－1 Ω＝0.11 Ω。
【变式1-3】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．
答案 (1)A C (2)C
(3)ka k－R2
解析 (1)电压表内阻越大，分流越小，误差也就越小，所以选内阻较大的电压表A；当滑动变阻器接入电阻最小时通过电流表电流最大，此时通过电流表电流大小约为I＝eq \f(E,R1＋R2＋r)≈176 mA，所以选量程为200 mA的电流表C.
(2)由电路分析可知，若滑动变阻器的滑片右移电压表示数变大，则滑动变阻器接入电路部分阻值增大，选项C符合题意．
(3)由E＝U＋I(r＋R2)，得U＝－I(r＋R2)＋E，对比伏安特性曲线可知，图象斜率的绝对值k＝r＋R2，所以电源内阻r＝k－R2；令U＝0，得I＝eq \f(E,r＋R2)＝eq \f(E,k)，由题意知与横轴截距为a，所以a＝I＝eq \f(E,k)，则E＝ka.
【题型2 数据处理与误差分析】
【例2】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U－I坐标纸上描点，如图3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图丙上已标出后3组数据对应的坐标点，请在图丙上标出前4组数据对应的坐标点并画出U－I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，请按照改进后的方案，将图丁中的实物图连接成完整电路。
答案 (1)B (2)①如图所示
②R1 ③如图所示
解析 (1)路端电压U＝eq \f(E,R＋r)R＝eq \f(E,1＋\f(r,R))，若电源内阻远小于外电路总电阻，则电压表示数总是接近电源的电动势，变化范围小，故B项正确。
(2)①在坐标纸上根据前4组数据描出对应的坐标点并画出U－I图像，见答案图所示。
②由画出的U－I图线知等效电源内阻r′＝eq \f(1.55,0.60)Ω≈2.58 Ω，表示干电池内阻与定值电阻之和，因此选的定值电阻一定小于2.58 Ω，故所选电阻应为R1。
③连接实物图时，从电源正极出发，依次连接各器材，电压表并联在滑动变阻器和电流表两端，注意电流从正接线柱流入，负接线柱流出。
【变式2-1】小明同学打算估测5个相同规格电阻的阻值。现有一个量程为0.6 A的电流表、一个电池组(电动势E不大于4.5 V、内阻r未知)、一个阻值为R0的定值电阻、一个阻值为R1的定值电阻(用作保护电阻)，开关S和导线若干。他设计了如图(a)所示的电路，实验步骤如下：
第一步：把5个待测电阻分别单独接入A、B之间，发现电流表的示数基本一致，据此他认为5个电阻的阻值相等，均设为R。
第二步：取下待测电阻，在A、B之间接入定值电阻R0，记下电流表的示数I0。
第三步：取下定值电阻R0，将n个(n＝1,2,3,4,5)待测电阻串联后接入A、B之间，记下串联待测电阻的个数n与电流表对应示数In。
请完成如下计算和判断：
(1)根据上述第二步，eq \f(1,I0)与R0、R1、E、r的关系式是eq \f(1,I0)＝________。
(2)定义Y＝eq \f(1,I0)－eq \f(1,In)，则Y与n、R、R0、E的关系式是Y＝________。
(3)已知R0＝12.0 Ω，实验测得I0＝0.182 A，得到数据如下表：
根据上述数据作出Yn图像，如图(b)所示，可得R＝________Ω(保留2位有效数字)，同时可得E＝________V(保留2位有效数字)。
(4)本实验中电流表的内阻对表中Y的测量值________影响(选填“有”或“无”)。
解析：(1)由闭合电路欧姆定律得
E＝I0(R1＋R0＋r)
整理得eq \f(1,I0)＝eq \f(R1＋R0＋r,E)。
(2)A、B间接入n个待测电阻后，由闭合电路欧姆定律得E＝In(R1＋nR＋r)
又Y＝eq \f(1,I0)－eq \f(1,In)，由以上整理得Y＝eq \f(R0－nR,E)。
(3)由Y＝eq \f(R0－nR,E)
变形得Y＝－eq \f(R,E)n＋eq \f(R0,E)
结合图(b)得eq \f(R,E)＝0.5 A－1，eq \f(R0,E)＝3.0 A－1
又R0＝12.0 Ω，解得E＝4.0 V，R＝2.0 Ω。
(4)如果考虑电流表的内阻，则有
E＝I0(R1＋R0 ＋r＋RA)
E＝In(R1＋nR＋r＋RA)
整理得Y＝eq \f(R0－nR,E)
显然电流表的内阻对Y的测量值没有影响。
答案：(1)eq \f(R1＋R0＋r,E) (2)eq \f(R0－nR,E) (3)2.0 4.0 (4)无
【变式2-2】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甲所示，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________。
甲
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U－I图象，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2位有效数字)。
乙
答案 ①5 ②a ③2.9 0.80
解析 ①应用伏安法测电源电动势和内阻，电压表应测量电源两端的电压，故导线5接滑动变阻器的一端应改接到电源的正极。
②滑动变阻器起保护电路的作用，因此闭合开关前，应将其接入电路的电阻调为最大值，故滑片P应置于a端。
③在电池组负极和开关间串联一个阻值为5 Ω的电阻，由闭合电路欧姆定律有U＝E－I(r＋R)，所以U－I 图线的纵截距表示电源电动势，E＝2.9 V，图线斜率的绝对值表示电源内阻与定值电阻串联的总电阻，所以电源内阻为r＝eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(2.90,0.50)－5)) Ω＝0.80 Ω。
【变式2-3】随着智能手机的广泛应用，充电宝成为手机及时充电的一种重要选择。充电宝可以视为与电池一样的直流电源。一充电宝的电动势约为5 V，内阻很小，最大放电电流为2 A，某实验小组测定它的电动势和内阻。他们剥开充电宝连接线的外绝缘层，里面有四根导线，红导线为充电宝的正极，黑导线为充电宝的负极，其余两根导线空置不用，另有滑动变阻器R用于改变电路中的电流，定值电阻R0＝3 Ω，两只数字多用电表M、N，两表均为理想电表，并与开关S连成如图所示电路。
(1)图中测量电流的电表是________，测量电压的电表是________。(均填写字母M或N)
(2)调节滑动变阻器，测得多组I、U数据，记录如下表，其中只有一个数据记录有误，审视记录的数据，可以发现表中第________次的记录数据有误。(填测量次数的序号)
(3)电路中接入R0可以达到下列哪个效果______(填选项前的字母)。
A．使测电流的电表读数变化明显
B．为了更准确地测量充电宝内阻
C．避免使充电宝的放电电流过大
D．减小测量电压的电表分流作用
解析：(1)器件N串联在电路中，测量干路电流，所以N为电流表；器件M一端接在开关上，另一端接在充电宝的负极，闭合开关后相当于并联在电源两端，所以M为电压表，测量路端电压；
(2)题中表格的电流I不断增大，根据闭合电路的欧姆定律E＝U＋Ir可知路端电压U不断减小，电压表的示数不断减小，所以第4次的记录数据有误；
(3)因为充电宝的内阻很小，所以电阻R0串联在电路中，起保护电路的作用，避免使充电宝的放电电流过大损坏电路中的器件。故选C。
答案：(1)N M (2)4 (3)C
【题型3 实验目的的创新】
【例3】利用如图所示电路,测量一个电源(电动势约为 9 V,内阻不计)的电动势和一个电阻Rx(阻值约为2 kΩ)的阻值。除了待测电源、导线和开关外,还有以下一些器材可供选择:
A.电流表(量程为0~0.6 A,内阻RA1=1 Ω)
B.灵敏电流表(量程为0~3 mA,内阻RA2=800 Ω)
C.灵敏电流表(量程为0~300 μA,内阻未知)
D.电阻箱R1(最大阻值为99.99 Ω)
E.电阻箱R2(最大阻值为9999.9 Ω)
F.定值电阻R0(阻值为1 kΩ)
(1)实验中应选择的电流表是 ,电阻箱是 (填器材前的字母代号)。
(2)闭合开关S后,多次调节电阻箱,读出电阻箱的阻值R,记下对应的电流表示数I,为了利用图象法处理实验数据,应该作 (选填“I-R”“1I-1R”“1I-R”或“I-1R”)图象。
(3)根据第(2)问选择的结果作出直线,得到斜率k和纵轴上的截距b,则E= ,Rx= 。(结果用k、b和题目中的符号表示)。
【解析】(1)电流表与定值电阻R0串联,相当于量程为5.4 V 的电压表,实验中应选择的电流表是B;电阻箱R1最大阻值为99.99 Ω,远小于电阻Rx的阻值,若实验中电阻箱选R1,则会导致电阻Rx上的电压及其变化范围都很小,所以实验中电阻箱应选E。
(2)由闭合电路的欧姆定律有E=I(RA2+R0)+I+I(RA2+R0)RRx,经过变形,得到1I=(R0+RA2)RxE·1R+R0+RA2+RxE,即1I-1R图为直线。
(3)结合直线的函数表达式,可知斜率k=(R0+RA2)RxE,截距b=R0+RA2+RxE,联立解得E=(R0+RA2)2b(R0+RA2)-k,Rx=k(R0+RA2)b(R0+RA2)-k。
【答案】(1)B E (2)1I-1R (3)(R0+RA2)2b(R0+RA2)-k k(R0+RA2)b(R0+RA2)-k
【变式3-1】某课外活动小组利用铜片、锌片和橙汁制作了橙汁电池，并利用所学知识设计电路测量该电池的电动势E和内阻r。他们在一个玻璃器皿中放入橙汁，在橙汁中相隔一定距离插入铜片和锌片作为橙汁电池的正、负极。使用的器材有：
A．毫安表(量程0～3 mA，内阻未知)；
B．滑动变阻器R1(最大阻值为500 Ω)；
C．电阻箱R2(阻值范围为0～999.9 Ω)；
D．开关和导线若干。
该小组成员分析发现，由于毫安表的内阻未知，所以无法直接测量该橙汁电池的电动势和内阻，经过思考后，该小组设计了如图甲所示的电路，先测出该毫安表的内阻Rg、再测量橙汁电池的电动势E和内阻r。
(1)请按照图甲所示的电路图，用笔画线代替导线，将图乙实物图中的滑动变阻器接入电路，要求当滑动变阻器的滑片滑到最右端时。滑动变阻器接入电路的阻值最大。
(2)该小组连接好电路后，首先对毫安表的内阻Rg进行测量，请完善测量步骤。
①将滑动变阻器R1的滑片滑至最右端，断开开关S2，闭合开关S1；
②滑动滑动变阻器R1的滑片，使毫安表的指针达到满偏；
③保持________________不变，闭合开关S2，调节电阻箱R2的阻值，使毫安表的示数达到满偏电流的一半；
④读出此时电阻箱R2的示数，即可求得毫安表的内阻Rg。
(3)该小组发现，当毫安表的电流达到满偏电流的一半时，电阻箱的示数为50.0 Ω，则毫安表的内阻Rg＝________Ω，用此种方法测得的毫安表的内阻与其真实值相比，测量值________(填“大于”“小于”或“等于”)真实值。
(4)该小组测得毫安表的内阻Rg之后，采用以下方法测量该橙汁电池的电动势E和内阻r。首先将电路中滑动变阻器的滑片移至最右端，然后多次改变电阻箱的阻值R得到了多组毫安表的电流I，根据测得的数据作出eq \f(1,I)-eq \f(1,R)图像，如图丙所示，则该电源的电动势E＝________V，内阻r＝________Ω。
[创新点分析]
(1)测量橙汁电池的电动势和内阻。
(2)利用半偏法测量毫安表的内阻。
(3)利用eq \f(1,I)-eq \f(1,R)图像处理数据，得出E、r的值。
解析：(1)滑动变阻器的接法如图所示。
(2)此种测量电阻的方法为半偏法，使用此方法测量未知电阻的阻值时，要求电路中其他元件的阻值不能发生变化，故应保持滑动变阻器接入电路的阻值不变。
(3)当毫安表指针达到满偏后，再闭合开关S2时，认为电路中的总电流仍为毫安表的满偏电流Ig。当流过毫安表的电流达到满偏电流的一半时，由于电阻箱与毫安表为并联关系，故有eq \f(1,2)IgRg＝eq \f(1,2)IgR，所以R＝Rg，因此当电阻箱的示数为50.0 Ω时，毫安表的内阻也为50.0 Ω。但此种方法存在系统误差，当滑动变阻器接入电路的阻值不变时，由于电阻箱的接入，整个电路中的阻值减小，电路中的总电流I＞Ig，因此当毫安表的示数为eq \f(1,2)Ig时，实际流过电阻箱的电流I箱＞eq \f(1,2)Ig，由于eq \f(1,2)IgRg＝I箱R，所以有R＜Rg。
(4)由闭合电路欧姆定律可得＋IRg＝E－整理可得eq \f(1,I)＝eq \f(RgR1＋r,E)·eq \f(1,R)＋eq \f(r＋Rg＋R1,E)，将Rg＝50.0 Ω，R1＝500 Ω代入并结合图丙可得eq \f(50.0 Ω·500 Ω＋r,E)＝750×eq \f(140,3) Ω/A，eq \f(r＋550 Ω,E)＝750 A－1，两式联立可解得E＝1.00 V，r＝200 Ω。
答案：(1)见解析图 (2)滑动变阻器R1接入电路的阻值 (3)50.0 小于 (4)1.00 200
【变式3-2】甲同学设计了如图甲所示的电路来测量电源电动势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(量程为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:
A.闭合S1,将S2切换到a,调节电阻箱,读出其示数R0和对应的电压表示数U1。
B.保持电阻箱示数不变, ,读出电压表的示数U2。
C.电阻R1的表达式为R1= 。
甲 乙
(2)甲同学已经测得电阻R1=4.80 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1U-1R图线,则电源电动势E= V,电阻R2= Ω(计算结算保留3位有效数字)。
【答案】(1)将S2切换到b U2-U1U1R0 (2)1.43 1.20
【变式3-3】利用电流表和电压表测定一节干电池的电动势和内阻。要求尽量减小实验误差。
(1)应该选择的实验电路是 (选填“甲”或“乙”)。
(2)现有电流表(0~0.6 A)、开关和导线若干,以及以下器材:
A.电压表(0~15 V)
B.电压表(0~3 V)
C.滑动变阻器(0~50 Ω)
D.滑动变阻器(0~500 Ω)
实验中电压表应选用 ,滑动变阻器应选用 。(选填相应器材前的字母)
(3)某位同学记录的6组数据如下表所示,其中5组数据的对应点已经标在图丙的坐标纸上,请标出余下一组数据的对应点,并画出U-I图线。
丙
(4)根据(3)中所画图线可得出干电池的电动势E= V,内阻r= Ω。
(5)实验中,随着滑动变阻器滑片的移动,电压表的示数U及干电池的输出功率P都会发生变化。图丁的各示意图中正确反映P-U关系的是 。
丁
【解析】(1)干电池内阻相对一般电流表内阻而言较小,为减小电流表分压带来的系统误差,应采用“外接法”(相对电源,因为需要测量的是电池内阻),故应选甲。
(2)干电池电动势约为1.5 V,电压表选B可减小读数误差。滑动变阻器应选C,若选D,则滑片滑动时引起的电流表读数变化非常微小。
(3)图线应为直线,作图时使尽量多的点在线上,不在线上的点应均匀分布在线的两侧,误差较大的点舍去。

戊
(4)由U=E-Ir可得图象上的截距E=1.50 V,斜率的绝对值r≈0.83 Ω。
(5)输出功率P=UI=U(E-U)r=-1rU-E22+E24r,应为开口向下的抛物线,C项正确。
【答案】(1)甲
(2)B C
(3)如图戊所示
(4)1.50(1.49~1.51) 0.83(0.81~0.85)
(5)C
【题型4 实验器材的创新】
【例4】一同学测量某干电池的电动势和内阻。
(1)如图甲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。
甲
(2)实验测得的电阻箱阻值R和电流表示数I,以及计算的1I数据见下表:
根据表中数据,在图乙方格纸上作出R-1I关系图象。
乙
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丙所示,则该干电池的电动势应为 V;内阻应为 Ω。
丙
【解析】(1)在电学实验中,连接电路时应将开关断开,电阻箱的阻值调为最大,以确保实验仪器、仪表的安全。
(2)根据闭合电路欧姆定律,得E=I(R+r),即R=EI-r=E·1I-r,即R-1I图象为直线。描点连线后图象如图丁所示。
根据图象可知r=1.2 Ω。图象的斜率为电动势 E,在R-1I图象上取两点(2,1.59)、(5,5.61),则E=5.61-1.595-2 V=1.34 V。
(3)根据欧姆定律,得电流表的内阻
rA=UI=66×10-30.33 Ω=0.2 Ω
该干电池的内阻应为r'=r-rA=1.0 Ω
R-1I图象的斜率仍为电动势E,即E=1.34 V。
【答案】(1)①开关未断开;②电阻箱阻值为零。
(2)如图丁所示 1.4(1.30 ~1.44都算对) 1. 2(1.0 ~1.4都算对)
(3)1.4[结果与(2)问第一个空格一致]
1.0[结果比(2)问第二个空格小0.2]
丁
【变式4-1】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：
(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，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。
[创新点分析]
(1)电阻丝与圆形时钟表盘相结合替代电阻箱。
(2)利用eq \f(1,I)-θ图像测量E、r。
解析：(2)开关闭合前，为了保护电路中的元件，应将电阻丝的最大阻值接入电路，根据电阻定律R＝ρeq \f(L,S)，可知电阻丝接入越长，接入电阻越大，金属夹应夹在电阻丝的b端。
(4)设圆心角为θ时，电阻丝接入电路中的电阻为θr0，根据闭合电路欧姆定律E＝U＋Ir可知，E＝I(RA＋R0＋θr0)＋Ir，整理得eq \f(1,I)＝eq \f(r0,E)θ＋eq \f(RA＋R0＋r,E)，结合图像的斜率和截距满足：eq \f(r0,E)＝k，eq \f(RA＋R0＋r,E)＝d，解得电源电动势和内阻分别为：E＝eq \f(r0,k)，r＝eq \f(r0d,k)－R0－RA。
(5)实验器材中有定值电阻R0和单刀双掷开关，考虑使用等效法测量电阻丝的电阻值，如图所示：
原理的简单说明：
①先将单刀双掷开关接1，读出电流表示数I0；
②然后将单刀双掷开关接2，调节电阻丝接入电路的角度，直到电流表示数为I0，读出此时角度θ ；
③此时θr0＝R0，即可求得r0的数值。
答案：(2)b (4)eq \f(r0,k) eq \f(r0d,k)－R0－RA (5)见解析图
【变式4-2】某同学对实验室的一个多用电表中的电池进行更换时发现,里面除了一节1.5 V的干电池外,还有一个方形电池(电动势9 V左右)。为了测定该方型电池的电动势E和内阻r,实验室中提供如下器材:
A.电流表(满偏电流为10 mA,内阻RA1=10 Ω)
B.电流表(0~0.6 A,内阻未知)
C.滑动变阻器R0(0~100 Ω,允许通过的最大电流为1 A)
D.定值电阻R(阻值为990 Ω)
E.开关与导线若干
(1)根据现有的实验器材,设计一个电路,能较精确测量该电池的电动势和内阻,请在虚线框中画出电路图。
甲
(2)请根据你设计的电路图,写出电流表的示数I1与电流表的示数I2之间的关系式:I1= 。
(3)图甲为该同学根据正确设计的实验电路测出多组数据并绘出的I1-I2图线,由图线可以求出被测方形电池的电动势E= V,内阻r= Ω。(结果保留2位有效数字)
【解析】(1)测量方型电池的电动势和内阻,用伏安法即可,由于题干中没有提供电压表,故需要将与R串联改装成电压表使用;电流表选用;电路图如图乙所示。
乙
(2)根据闭合电路的欧姆定律E=U+Ir=I1(RA1+R)+(I1+I2)r,整理得I1=1R+RA1+rE--rR+RA1+rI2。
(3)因为定值电阻R=990 Ω,RA1=10 Ω,图象斜率的绝对值为1×10-2,所以r1000+r=10-2,解得r≈10 Ω。
图象与纵坐标的交点为9.0 mA,9.0×10-3=E1000+10,解得E≈9.0 V。
【答案】(1)如图乙所示 (2)I1=1R+RA1+r-E-rR+RA1+rI2 (3)9.0(8.8~9.2均可) 10(9.9~10均可)
【变式4-3】根据闭合电路欧姆定律,用图甲所示电路可以测定电池的电动势和内阻。图中R0是定值电阻,通过改变R的阻值,测出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1U12-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)在坐标纸上画出1U12-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80.0 Ω的点。
(2)如图丙所示。
丙
(3)根据闭合电路欧姆定律Ex=U12+U12R0(R+rx),所以1U12=1Ex+RR0Ex+rxExR0,由图可知斜率1R0Ex=0.00461,即Ex=1.45 V。
【答案】(1)80.0 (2)如图丙所示 (3)0.00461 1.45
【题型5 实验原理的创新】
【例5】某探究性学习小组利用如图甲所示的电路测量电池的电动势和内阻。其中电流表的内阻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。
甲 乙
(1)按图甲电路进行连接后,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,得到电流表和的多组I1、I2数据,作出图象如图乙所示。由I1-I2图象得到电池的E= V,r= Ω。
【解析】(1)测a、b'间电压,读数不为零,说明cc'没有断开;若测a、a'间电压,读数不为零,说明bb'没有断开,所以是aa'断开;若测a、a'间电压,读数为零,说明aa'没有断开,所以是bb'断开。
(2)根据闭合电路欧姆定律及如图甲所示电路得E=U外+U内=I1(R1+r1)+(I1+I2)(R0+r),代入图乙中两组数据(60 mA,0.12 mA)、(260 mA,0.05 mA),解得E=1.4 V,r=0.5 Ω。
【答案】(1)aa' bb' (2)1.4 0.5
【变式5-1】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U-I 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图丙上已标出后3组数据对应的坐标点，请在图丙上标出前4组数据对应的坐标点并画出U-I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，请按照改进后的方案，将图丁中的实物图连接成完整电路。
[创新点分析]
(1)用伏安法测量E和r时，U-I图线的斜率很小，说明内阻r很小。
(2)为减小实验误差，给电源串联一个定值电阻，作为等效内阻。
解析：(1)路端电压U＝eq \f(E,R＋r)·R＝eq \f(E,1＋\f(r,R))，若电源内阻远小于外电路总电阻，则电压表示数总是接近电源的电动势，变化范围小，故B项正确。
(2)①根据数据描点并连成一条直线，如图1所示。
②由图像可知E＝1.55 V，U＝0时I＝0.59 A，故r′＝eq \f(E,I)＝2.63 Ω，由于2 Ω