高中物理鲁科版 (2019)必修 第三册第4章 闭合电路欧姆定律与科学用电第2节 科学测量:电源的电动势和内阻优质教案

这是一份高中物理鲁科版 (2019)必修 第三册第4章 闭合电路欧姆定律与科学用电第2节 科学测量:电源的电动势和内阻优质教案，共9页。教案主要包含了教学目标，教学重难点，教学过程等内容，欢迎下载使用。

【教学目标】
【教学重难点】
1．能用与闭合电路相关的证据说明结论并作出解释。
2．会用作图方法分析实验数据，测得电源的电动势和内阻。
3．提升实验操作能力、数据分析与解释能力。
【教学过程】
一、导入新课
如何测量电源的电动势和内阻？下面，让我们通过实验进行探究。
二、新知学习
（一）实验目的
（1）测量电源的电动势和内阻。
（2）学习通过计算和作图分析处理实验数据。
（二）实验器材
电流表、电压表、滑动变阻器、待测干电池、开关、导线等。
（三）实验原理与设计
利用闭合电路欧姆定律来测量并计算与分析，电路图如图所示。通过改变滑动变阻器的阻值改变电路状态，电路中的电压、电流均发生变化，用电压表和电流表测量出U和I的两组数据，列出两个方程，E＝U1＋I1r，E＝U2＋I2r进而求解出电动势E和内阻r，E＝eq \f(I2U1－I1U2,I2－I1)，
r＝eq \f(U1－U2,I2－I1)。
（四）实验步骤
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，使其接入电路的阻值最大。
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U、I值。
4．断开开关，整理好器材。
5．处理数据，用公式法和作图法求出电源的电动势和内阻。
（五）数据分析
1．求平均值法：由E＝U1＋I1r，E＝U2＋I2r可解得：E＝eq \f(I1U2－I2U1,I1－I2)，r＝eq \f(U2－U1,I1－I2)。可以利用U、I的值多求几组E、r的值，算出它们的平均值。
2．作U－I图像法
（1）本实验中，为了减小实验误差，一般用图像法处理实验数据，即根据多次测出的U、I值，作U－I图像；
（2）将图线两侧延长，纵轴截距点意味着断路情况，它的数值就是电源电动势E；
（3）横轴截距点（路端电压U＝0）意味着短路情况，它的数值就是短路电流I短＝eq \f(E,r)；
（4）图线斜率的绝对值即电源的内阻r，即r＝eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(\f(ΔU,ΔI)))＝eq \f(E,I短)，如图所示。
（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图线时描点不准确。
2．系统误差：主要原因是电压表的分流作用，使得电流表上读出的数值比流过电源的电流偏小一些。由E＝U＋Ir知，电动势的测量值偏小；实验测的内阻实际上是电压表与电源内阻的等效值，所以测算的内阻也偏小，即E测＜E真，r测＜r真。
（七）注意事项
1．为使干电池的路端电压有明显变化，应选取内阻较大的旧干电池和内阻较大的电压表。
2．实验中不能将电流调得过大，且读数要快，读完后立即切断电源，防止干电池大电流放电时内阻r的明显变化。
3．当干电池的路端电压变化不很明显，作图像时，纵轴单位可取得小一些，且纵轴起点可不从零开始。
如图所示，此时图线与纵轴交点仍为电池的电动势E，但图线与横轴交点不再是短路电流，内阻要在直线上取较远的两点用r＝|eq \f(ΔU,ΔI)|求出。
三、核心探究
（一）实验原理和数据处理
[例1]在“用电流表和电压表测定电池的电动势和内阻”的实验中。
（1）备有如下器材：
A．干电池1节 B．滑动变阻器（0～20 Ω） C．滑动变阻器（0～1 kΩ） D．电压表（0～3 V） E．电流表（0～0.6 A） F．电流表（0～3 A） G．开关、导线若干
其中滑动变阻器应选________，电流表应选________。（只填器材前的序号）
（2）为了最大限度的减小实验误差，请在虚线框中画出该实验最合理的电路图。
（3）某同学根据实验数据画出的U－I图像如图所示，由图像可得电池的电动势为________V，内阻为________Ω。
（4）写出该实验误差产生的原因：________________；电动势的测量值__________真实值，内阻的测量值________真实值。（填“大于”“等于”或“小于”）
解析 （1）滑动变阻器的最大值一般为待测电阻的几倍时较好，在该实验中因干电池内阻比较小，故滑动变阻器选择较小一点的即可，故滑动变阻器应选B。（也可以从便于调节的角度来分析，应该选择阻值较小的滑动变阻器。）
电流表的量程要大于电源允许通过的最大电流，对于干电池来讲允许通过的最大电流一般是0.5 A，故需要选择0～0.6 A，所以电流表应选E。
（2）电路图如图所示。
（3）由U－I图像可知：纵截距为1.5 V，故干电池的电动势为1.5 V；内阻r＝eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(\f(ΔU,ΔI)))＝eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(\f(0.9－1.5,0.6－0))) Ω＝1 Ω。（4）由于电压表的分流作用，使电流表读数总是比干路电流小，造成E测＜E真，r测＜r真。
答案 （1）B E （2）见解析图 （3）1.5 1 （4）电压表的分流 小于 小于
（二）安阻法（或伏阻法）测E、r的实验原理与数据处理
[例2]某研究性学习小组利用如图甲所示电路测量电池组的电动势E和内阻r。根据实验数据绘出如图乙所示的R－eq \f(1,I)图线，其中R为电阻箱读数，I为电流表读数，由此可以得到E＝________，r＝________。
解析 由欧姆定律有，E＝I（R＋r），R＝eq \f(E,I)－r，由此知题图乙中图线的斜率为电动势E，纵轴截距大小为内阻r。E＝eq \f(8.0－（－1.0）,3.0) V＝3.0 V，r＝1.0 Ω。
答案 3.0 V 1.0 Ω
方法凝炼
1．安阻法
由E＝IR＋Ir可知，只要能得到I、R的两组数据，列出关于E、r的两个方程，就能解出E、r，用到的器材有干电池、开关、电阻箱、电流表，电路图如图所示。
2．伏阻法
由E＝U＋eq \f(U,R)r知，如果能得到U、R的两组数据，列出关于E、r的两个方程，就能解出E、r，用到的器材是干电池、开关、电阻箱、电压表，电路图如图所示。
四、学习评价
1．（实验设计和器材选择）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、开关、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 Ω
B．电流表：量程3 A，内电阻约0.2 Ω
C．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 kΩ
E．滑动变阻器：0～1 000 Ω，额定电流0.5 A
F．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）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）。
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。
答案 （1）A D F （2）a d c g f h
2．（实物连线和误差分析）某同学在用电流表和电压表测电池的电动势和内阻的实验中，串联了一只2.5 Ω的保护电阻R0，实验电路如图甲所示。
（1）请按图甲电路原理图把图乙实物电路利用笔画线代替导线连接起来。
（2）该同学顺利完成实验，测定下列数据，根据数据在图丙坐标图中画出U－I图像，由图知：电池的电动势为________，内阻为________。
（3）考虑电表本身电阻对测量结果的影响，造成本实验系统误差的原因是________________。
（4）实验所得的电池的电动势和内阻的测量值与真实值比较：E测________E真，r测________r真。（填“<”“＝”或“>”）
解析 （1）对照电路图连线即可，要注意电表的正负极，实物图连线如图甲所示。
（2）U－I图线是一条倾斜的直线，描点作图如图乙所示。
纵轴截距为1.50，所以电动势E＝1.50 V，
图线的斜率|k|＝eq \f(1.50－0.20,0.43) Ω＝3.0 Ω
则内阻r＝（3.0－2.5） Ω＝0.50 Ω。
（3）电流表所测的电流小于通过电源的电流，因为电压表内阻有分流作用。
（4）保护电阻等效到电源的内部，电压表测的电压为外电压，电流表所测的电流偏小，作出U－I图线的测量图线和实际图线，虚线表示实际图线，从图线可以看出，电动势和内阻的测量值均小于真实值。
答案 （1）见解析图甲 （2）见解析图乙 1.5 V 0.5 Ω
（3）电压表内阻分流 （4）< <核心素养
物理观念
科学思维
1．能根据图像对相关问题进行分析推理；
2．能用与闭合电路相关的证据说明结论并作出解释。
1．能提出并准确表述在实验中可能遇到的物理问题；
2．能在他人指导下制订实验方案，设计实验步骤，能用电流表和电压表等实验器材进行实验，能注意实验安全；
3．会用作图方法分析实验数据，测得电源的电动势和内阻；
4．能撰写完整的实验报告，在报告中能呈现设计的实验步骤、实验表格，以及数据分析过程和实验结论，能有针对性地反思交流过程与结果；
5．提升实验操作能力、数据分析与解释能力。
I/A
0.10
0.17
0.23
0.30
U/V
1.20
1.00
0.80
0.60