新教材 高中物理 必修三 12.3实验：电池电动势和内阻的测量 课件+教案+练习(含答案)

12.3 实验：电池电动势和内阻的测量

教学目标与核心素养

一、教学目标

1.知道测量电源电动势和内电阻的实验原理，进一步感受电源路端电压随电流变化的关系。

2.学会根据图像合理外推进行数据处理的方法。

3、尝试进行电源电动势和内阻测量误差的分析，了解测量中减小误差的方法。

二、核心素养

物理观念：通过操作实验，让学生形成对实验具有严谨科学态度的物理观念。

科学思维：体验实验研究中获取数据、分析数据、寻找规律的科学思维方法．

科学探究：经历实验过程，掌握实验方法，学会根据图像合理外推进行数据处理的方法。

科学态度与责任：培养仔细观察，真实记录实验数据等良好的实验习惯和实事求是的品质。

教学重难点

重点：利用图线处理数据。

难点：如何利用图线得到结论以及实验误差的分析。

教学过程

【新课引入】

知识回顾：什么是闭合电路欧姆定律，它的表达式有哪些？

闭合电路的电流跟电源的电动势成正比，跟内、外电路的电阻之和成反比。这个结论叫作闭合电路的欧姆定律。

表达式：    E ＝U外 ＋ U  。 U外 表示 IR，U内 表示 Ir。根据闭合电路欧姆定律，有多种方法可以测定电池的电动势和内阻。这节课我们就根据闭合电路的欧姆定律，来测量电池的电动势和内阻。

【新知探究】

一、实验思路

1.测E和r的实验方法:U-I法

根据闭合电路的欧姆定律：E ＝ U ＋ Ir 可知如果能测出 U、I 的两组数据，就可以列出两个关于 E、r 的方程，从中解出 E 和 r。

E：待测电动势；r：待测内阻；Ｕ：路端电压；Ｉ：通过电源的电流；

用电压表、电流表加上一个滑动变阻器 R，就能测定电源的电动势 E 和内阻 r。实验电路如图

2.测E和r的实验方法： I-R法

闭合电路的欧姆定律E ＝ U ＋ I r 可写成：E ＝ IR ＋ I r ，测出 I、R 的两组数据，也可以得到关于E和r 的两个方程，从中解出E和r。

用电流表和电阻箱可以测定电源的电动势E和内阻r，电路如图。

3.测E和r的实验方法： U-R

闭合电路的欧姆定律 E＝ U ＋ Ir 可写成：

测出 U、R 的两组数据，通过解方程组求出 E 和 r。

这样用电压表和电阻箱来测定电源的电动势 E 和内阻 r。

下面选用方法 1 测定电池的电动势 E 和内阻 r。

二、物理量的测量

思考讨论：如果用E＝ U ＋ Ir 测E和r是否只需测量两组 U、I 数据，联立方程解得E 和 r 就行呢？采用方法2和3呢？

不行，只测量两组数据，误差可能较大。只有多次测量，并对数据进行处理，才能减小误差。所以，应该使用滑动变阻器改变外电路的电阻，进行多次测量。

无论采取哪种方法，为了减小误差，都应该进行多次测量。

三、数据分析

方法一：公式法 测量若干组数据，利用E=U+Ir 解方程

解方程组  E=U1+I1r

E=U1+I1r

可得   

为了减小误差，最后以 E 的平均值和 r的平均值作为实验结果。

方法二：图象法   

E＝ U ＋ Ir 得：U ＝－rI ＋ E

相当于二元一次方程k=－r   b=E

（1）作图方法

以 U 为纵坐标、I 为横坐标建立平面直角坐标系。根据实验测得的几组数据在坐标系中描点，这些点大致分布在一条直线上，把明显偏离的点舍去，用直尺画一条直线，使尽可能多的点落在这条直线上，不在直线上的点大致均衡地分布在直线两侧。

（2）电源的电动势E

这条直线与U坐标轴的交点值表示断路时的路端电压，这时的电压 U 等于电源的电动势 E。

思考：直线与I轴交点是不是短路电流？它表示的意义是什么？

由于U轴的起点不为0，故直线与I轴交点不是短路电流而是U＝1.20V时的电流。

（3）电源的内阻 r

①根据这条直线可以推出 U ＝ 0 时的短路电流。根据 求出电源的内阻 r。

②由k=－r通过求解 U-I 图像斜率的绝对值也可以求出电源的内阻 r，即  求出电源的内阻 r。

实验一：测量干电池的电动势和内阻

1.实验器材：待测旧电池一节，滑动变阻器，电压表（0~3V），电流表（0~0.6A），导线若干，开关一只，铅笔，坐标纸。

2.实验电路

3.实验步骤

(1)确定电流表、电压表的量程，按实验电路图连接好电路，并将滑动变阻器的滑片移到使接入电路的阻值为最大值的一端。

(2)闭合开关S，接通电路，将滑动变阻器的滑片由一端向另一端移动，从电流表有明显读数开始，记录一组电流表、电压表读数。

(3)同样的方法，依次记录多组U、I值。

(4)断开开关S，拆除电路。

(5)利用公式法和图像法求出电动势和内阻。

4.实验数据

5.实验数据处理

由图象可知，图象与纵坐标轴的交点即为电动势，所以E=1.50V，电源内阻

6.注意事项

(1)实验前必须把变阻器的滑片置于阻值最大的位置，以防止出现烧坏电流表的事故。

(2)为了使电池的路端电压变化明显，电池的内阻宜大些。

(3) 读数要快，读完后立即切断电源。

(4)作U-I图像时，要尽量使多数点落在直线上，不在直线上的点均匀分布在直线两侧。

(5)作U-I图像时，如果出现某组数据对应的点偏离直线较远，就表明这组数据的偶然误差较大，可将该点舍去。

(6)纵坐标可不从零开始，直线的斜率等于电源内阻，计算内阻时，要在直线上取两较远点用            求出 (横坐标必须从零开始)。

(7)图线与纵轴交点的纵坐标等于电源电动势，与横轴交点的横坐标等于短路电流，由此可知，用图像法处理实验数据的优点是求得的是平均值。

7.误差分析

把图中的R和电流表看成外电路，则电压表看成内电路的一部分，故实际测出的是电池和电压表这个整体等效的r和E。

误差来源于电压表的分流作用，适宜测小内阻电源。

知识拓展

电流表看成内电路的一部分，故实际测出的是电池和电流表这个整体等效的r和E。

E测=E       r测=r+RA>r

误差来源于电流表的分压作用，适宜测大内阻电源。

实验二：测量水果电池的电动势和内阻

实验器材：铜片、锌片、梨、电阻箱、电压表。

出示图片：水果电池

把铜片和锌片相隔约1 cm插入一个梨中，就制成一个水果电池。铜片和锌片相距越近、插入越深，电池的内阻就越小。铜片是电池的正极，锌片是负极。

实验步骤：1.把水果电池、电阻箱、电压表等按图连接起来。

2.根据  用电压表和电阻箱测出多组电压U和电阻R，并记录在预先绘制的表格中。

3.求出水果电池的电动势和内阻。

注意：水果电池的内阻较大，容易测量。但实验时，内阻会发生明显改变。测量应尽量迅速，在内阻发生较大变化之前结束测量。

【课堂小结】

1.求电源的电动势 E，电源的内阻 r

①公式法

②图像法

这条直线与U坐标轴的交点值表示断路时的路端电压，这时的电压 U 等于电源的电动势 E。

电源的内阻

2.误差分析

误差来源于电压表的分流作用，适宜测小内阻电源。

【随堂演练】

1.在“测定电源电动势和内阻”的实验中，针对两个不同的电源得出如图所示的1、2两条图线，则两个电源的动势E1和E2、内阻r1和r2满足关系）（　　）

A．E1＞E2，r1＞r2

B．E1＞E2，r1＜r2

C．E1＜E2，r1＜r2

D．E1＜E2，r1＞r2

答案： C

2．在测电源的电动势和内阻时。某次实验记录数据画出U-I图象，下列关于这个图象的说法中正确的是（　　）

A．纵轴截距表示待测电源的电动势，即E=3V

B．横轴截距表示短路电流，即I短=0.6A

C．根据r＝E/ I短 ，计算出待测电源内阻为5Ω

D．该实验中电源的内阻为2Ω

答案：A

3.如图是测量电源电动势和内电阻的电路，关于误差说法正确的是（   ）

A．由于电流表的分压作用，使内电阻的测量值小于真实值

B．由于电流表的分压作用，使内电阻的测量值大于真实值

C．由于电压表的分流作用，使内电阻的测量

值小于真实值

D．测出的电动势比真实值小

答案：B

4．在“测定电池电动势和内阻”的实验中，某同学根据实验数据，作出了正确的U-I图象，如图所示，其中图线斜率绝对值的物理含义是（　　）

A．短路电流               B．电池内阻

C．电池电动势             D．全电路电阻

答案： B

拓展提高

1.“测定电池的电动势和内阻”的实验中，下列注意事项中错误的是 （　　）

A．应选用旧的干电池作为被测电源，以使电压表示数的变化比较明显

B．移动变阻器的触头时，不能使滑动变阻器短路造成电流表过载

C．应选用内阻较小的电压表和电流表

D．由实验记录数据作U-I图象时，应通过尽可能多的点画一条直线，并使不在直线上点大致均匀分布在直线两侧

答案：C

2．测量电池电动势和内电阻，根据测得数据作出了外电路U-I图线，由图可知（　　）

A．电池电动势的可以直接测得为1.40 V

B．电池内阻的测量值为3.50Ω

C．外电路发生短路时的电流为0.40 A

D．电压表的示数为1.20 V时，电流表的

示数I′=0.20 A

答案：D

3.用如图所示电路（R1，R2为标准定值电阻）测定电池的电动势和内电阻时，如果偶然误差可以忽略不计，则下列说法中正确的是（　　）

A．电动势的测量值小于真实值

B．内电阻的测量值小于真实值

C．测量误差的产生原因是电流表具有内电阻

D．测量误差的产生原因是测量次数少，不能

用图象法求电池的电动势和内电阻

答案：C