新教材2023年高中物理第12章电能能量守恒定律3实验：电池的电动势和内阻的测量课件新人教版必修第三册

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第十二章　电能　能量守恒定律3．实验：电池的电动势和内阻的测量目标体系构建【课程标准】1．了解并掌握测量电池的电动势和内阻的原理和实验方法。2．学习用图像法处理实验数据。3．会对测量误差进行分析，了解测量中减小误差的方法。【素养目标】课前预习反馈 　　　实验原理闭合电路的欧姆定律。知识点 1　　　测电源E、r的几种方法与电路连接图知识点 2I1r　U2　U2　I1r　I2R2　　　　测量数据的处理方法为减小测量误差，本实验常选用以下两种数据处理方法。1．代数法利用U、I值多求几组E和r的值，算出它们的平均值知识点 32．图像法以I为横坐标，U为纵坐标建立直角坐标系，根据几组I、U的测量数据，在坐标系中描点，此时可大致看到，U－I图像是一条斜向下的直线。如图所示。①纵轴的截距等于电源的__________E；横轴的截距等于外电路短路时的电流I 0＝______。电动势　电源的内阻　『判一判』(1)在用伏安法测电池的电动势和内阻的实验中，应选用旧的干电池作为被测电源，以使电压表读数变化明显。 (　　)(2)在用伏安法测电池的电动势和内阻的实验中，移动滑动变阻器的滑片时，不能使滑动变阻器短路造成电流表过载。 (　　)(3)用伏安法测电池的电动势和内阻的实验中，偶然误差主要来源于电压表、电流表的读数以及作U－I图线时描点不准确。 (　　)√　√　√　『选一选』(多选)为测定某一电池的电动势和内电阻，下面几组器材中，能完成实验的是 (　　　)A．一只电流表、一只电压表、一只变阻器、开关和导线B．一只电流表、两只变阻器、开关和导线C．一只电流表、一只电阻箱、开关和导线D．一只电压表、一只电阻箱、开关和导线ACD　『想一想』某学生用电流表和电压表测干电池的电动势和内阻时，所用滑动变阻器的阻值范围为0～20 Ω，连接电路的实物图如图所示。请指出该学生接线中的错误和不规范的做法。 答案：①滑动变阻器不起变阻作用；②电流表正负接线柱接错；③开关不能控制电压表，电路无法断开。解析：由图中接线可知，滑动变阻器连成定值电阻起不到变阻作用，电流表正、负接线柱接错；电压表始终有读数，开关不能控制电压表，电压表接线应接到开关外侧。课内互动探究一、器材准备被测电源(如干电池、水果电池等)、电流表、电压表、滑动变阻器、开关和导线。二、操作过程1．确定电流表、电压表的量程，按图所示电路把器材连接好，如图所示。2．把变阻器的滑动片移到最左端使阻值最大。3．闭合开关，调节变阻器，使电流表有明显示数，记录一组电流表和电压表的示数，用同样的方法测量并记录几组I和U的值。并填入下表：4．断开开关，整理好器材。5．以U为纵轴，I为横轴，将记录的电压、电流标在坐标图上，过这些点作一条直线，根据纵轴截距求出电动势，根据斜率大小求出内电阻。2．图像法把测出的多组U、I值，在U－I图中描点画图像，使U－I图像的直线经过大多数坐标点或使各坐标点大致分布在直线的两侧，如图所示，由U＝E－Ir可知：四、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图像时描点不准确。(2) 系统误差：主要原因是未考虑电压表的分流作用，使得电流表上读出的数值比实际的总电流(即流过电源的电流)要小一些。U越大，电流表的读数与总电流的偏差就越大，将测量结果与真实情况在U－I坐标系中表示出来，如图所示，可见E测＜E真，r测＜r真。五、注意事项在实验时应注意以下四点：1．电池应选使用过一段时间的半新电池，电流表一般选0～0.6 A挡，电压表一般选0～3 V挡。2．闭合开关前，一定把滑动变阻器滑片移到电阻最大的一端。3．在电流表有明显示数且稳定后，再读出电压表读数U和电流表读数I。4．一般来说电池的电动势和内阻都随着使用时间的增长而变化，实验时不要长时间通电，只是在读数时让电路接通，其他时间要断开电路。探究实验仪器的选择及实物连线典例剖析　　　　　做“用电流表和电压表测定电池的电动势和内阻”的实验，可供选用的器材有：A．电流表(量程：0～0.6 A　RA约为1 Ω)B．电流表(量程：0～3 A　RA约为0.6 Ω)典题1C．电压表(量程：0～3 V　R V约为5 kΩ)D．电压表(量程：0～15 V　R V约为10 kΩ)E．滑动变阻器(阻值范围：0～10 Ω　额定电流：1.5 A)F．滑动变阻器(阻值范围：0～2 kΩ　额定电流：0.2 A)G．待测电源(一节一号干电池)、开关、导线若干(1)请画出能使本实验测量精确程度较高的实验电路图。(2)电路中电流表应选用______，电压表应选用______，滑动变阻器应选用______。(填字母代号)(3)如图甲所示为实验所需器材，请按电路图连接实物图。思路引导：(1)实验器材的选取应遵循安全、精确和操作方便的原则。本实验的误差主要来自电压表的分流。因此，本实验中滑动变阻器的选择原则是：阻值范围小而额定电流较大。电压表的选择原则是：在满足量程要求的前提下选取内阻较大的。电流表的选择需根据实验中电流大小的估算值来确定。(2)根据实验要求，先画出电路图，然后根据电路图连接实物图。A　C　E　解析：(1)电路如图乙所示。(2)考虑到待测电源只有一节干电池，所以电压表应选C；实验中电流又不能太大，一般不超过0.5 A，所以电流表应选A；滑动变阻器不能选择太大的阻值，从允许最大电流和减小实验误差来看，应选择电阻较小而额定电流较大的滑动变阻器E。(3)如图丙所示。答案：(1)如图乙所示　(3)如图丙所示1．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 ΩB．电流表：量程3 A，内电阻约0.2 ΩC．电压表：量程3 V，内电阻约30 kΩD．电压表：量程6 V，内电阻约60 kΩE．滑动变阻器：0～1 000 Ω，额定电流0.5 AF．滑动变阻器：0～20 Ω，额定电流2 A对点训练(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)下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)。A　D　F　a　d　c　g　f　h　 解析：(1)此次实验电流表内阻对实验没有影响，选择小量程电流表，减小读数误差；串联电池的电动势约为4.5 V，电压表应选择D项；接入电路中的电阻在满足要求的条件下不宜过大，容易调节，故滑动变阻器应选 F。(2)电压表的内阻相对滑动变阻器的内阻较大，流经电压表的电流可以忽略不计，所以选择电流表内接法，以减小误差。探究实验数据处理典例剖析　　　　　(2022·江苏扬州中学高二上期中)在“电池电动势和内阻的测量”的实验中，已连接好部分实验电路。典题2(1)按图甲所示的实验电路，把图乙中剩余的电路连接起来。(4)利用该实验电路测出的电动势E测和内阻r测与真实值E真和r真相比，理论上E测______E真，r测______r真(填“＞”“＜”或“＝”)。引起该实验系统误差的主要原因是____________________。(2)在图乙的电路中，为避免烧坏电表，闭合开关前，滑动变阻器的滑片应置于______端(填“A”或“B”)。(3)如图丙是根据实验数据作出的U－I图像，由图可知，电源的电动势E＝_______V，内阻r＝_______Ω。B　1.5　1.0　＜　＜　电压表有分流作用　解析：(1)由题图甲可知电压表正接线柱与电流表正接线柱相连，负接线柱与滑动变阻器的下接线柱相连；由题图乙可以看出电源为一节干电池，故电压表选择0～3 V量程，故连接方式如下图。对点训练2．实验室给出下列器材，请你完成一节干电池电动势和内阻的测定。A．一节待测干电池(内阻大于2 Ω)B．电流表，量程为0～0.6 A，内阻为5 Ω左右C．电流表，量程为0～1.5 A，内阻为0.5 Ω左右D．电压表，量程为0～2.0 V，内阻为5 kΩ左右E．滑动变阻器，最大阻值为100 ΩF．滑动变阻器，最大阻值为10 ΩG．开关一只，导线若干。(1)该实验所需器材：______________(填器材前面的字母)。(2)请画出该实验电路图。ABDFG　(3)下表列出了某组同学测得的实验数据，其中有一组数据不符合读数要求，请将该组数据的序号填在横线上：_____。2　(4)根据表中数据，在下图中，作出U­I图像，并根据图像计算被测电池的电动势为________________________V，内阻为_______________ _____________Ω。1.46(1.45～1.47均正确)　0.73(0.70～0.75　均正确) 　答案：解析：(1)应用电压表和电流表测量干电池电动势和内阻，应选用电源A、电压表D、开关与导线G，根据表中数据或电路中的电阻计算，最大电流不超过0.6 A，则电流表选B，滑动变阻器起限流作用，最大阻值与电路干路其他元件总电阻相当或大一点儿即可，则选F。(2)如图所示。 (3)第2组数据中的电流值不符合有效数字位数。(4)描点作出图像，纵轴的截距为电动势，大小约为1.46 V，图像的斜率为电源内阻，大小约为0.73 Ω。核心素养提升实验误差分析由于电压表和电流表内阻影响产生的误差。下面首先对伏安法的两种连接方式进行误差分析。甲(2)电路连接如图甲所示。设电压表示数为U，电流表示数为I，理论上E＝U＋UA＋Ir，UA＝IRA；其中电流表示数I是准确的干路电流，而电压表示数U并不是真正的路端电压，而是忽略了电流表的分压UA，从而形成了误差，即电流表分压造成了误差。甲 ②图像法：E真＝U测＋UA＋Ir，其中电流表示数I是准确的干路电流，而电压表示数U测并不是真正的路端电压，U真－U测＝UA＝IRA，可知干路电流越大，UA越大；当I＝0时，UA＝0，纵轴截距的测量值没有误差，电动势的测量没有误差，如图乙所示。根据图像可知E测＝E真，r测＞r真。乙 　　　　(2022·山东枣庄八中高二上月考)测定电源的电动势和内阻的实验电路和U－I图像如图所示，请回答下列问题：案例(1)如图甲所示，在闭合开关之前为保护电路而移动滑动变阻器的滑动头P，应放在滑动变阻器______处(填“a”或“b”)。(2)现有以下器材：A．干电池1个 B．滑动变阻器(0～50 Ω)C．电压表(0～3 V) D．电压表(0～15 V)E．电流表(0～0.6 A) F．电流表(0～3 A)其中电流表应选______，电压表应选______。(填字母代号)a　E　C　(3)如图乙是根据实验数据画出的U－I图像，由此可知这个干电池的电动势E＝_________________V，内电阻r＝____________________Ω。(计算结果均保留三位有效数字)(4)本实验中E测______E真，r测______r真(填“＞”“＜”或“＝”)。1.50(1.49～1.51)　0.750(0.725～0.775)　＜　＜　解析：(1)如题图甲所示，在闭合开关之前为保护电路而移动滑动变阻器的滑动头P，应放在滑动变阻器a处，此时，电路中总电阻最大，防止电表烧坏；(2)实验中电路中的电流不超过0.6 A，则电流表应选E；测一节干电池的电动势，则电压表应选C。(3)根据题图乙可知这个干电池的电动势E＝1.50 V，(4)由图示电路可知，由于电压表的分流作用使得电流表所测电流小于流过电源的电流，测电压表的分流作用是造成系统误差的原因；当外电路短路时，电流的测量值等于真实值，除此之外，由于电压表的分流作用，电流的测量值均小于其真实值，电源的U－I图像如图所示，由图像可知，电源电动势和内阻的测量值都小于真实值。故本实验中E测＜E真，r测＜r真。课堂达标检测1．(2022·山西大同高二期末)某物理探究小组利用实验测定一节干电池的电动势和内阻(内阻较小)，实验室提供的部分器材如下：A．电压表V1(0～15 V)B．电压表V2(0～3V)C．电流表A1(量程0～0.6 A，内阻约1 Ω)D．电流表A2(量程0～3 A，内阻约1 Ω)E．滑动变阻器R1(0～20 Ω)F．滑动变阻器R2(0～500 Ω)G．定值电阻R3(阻值为1.0 Ω)H．定值电阻R4(阻值为10.0 Ω)(1)为了较为准确地测定干电池的电动势和内阻，同学们设计了如图1所示的实验原理图，根据原理图可知，实验时电压表应选用______，电流表应选用______，滑动变阻器应选用______，定值电阻R0应选用______；(填器材前序号)B　C　E　G　(2)该探究小组根据实验中得到的数据，作出了U－I图像如图2所示，则该干电池的电动势E＝________V，内阻r＝________Ω(均保留2位小数)。1.48　0.20　解析：(1)一节干电池电动势大约1.5 V，所以电压表选择B；由图像可以看出最大电流为0.4 A左右，所以电流表选择C；为方便实验操作，滑动变阻器应选择E；定值电阻起保护电路作用，同时使电压表变化明显，所以应选择G。2．(2022·山东省济南市高三模拟)某同学用伏安法测一节干电池的电动势E和内电阻r，所给的其他器材有：A．电压表V：0～3 V～15 VB．电流表A：0～0.6 A～3 AC．变阻器R1：(20 Ω，1 A)D．变阻器R2：(1 000 Ω，0.1 A)E．开关S和导线若干(1)实验中电压表应选用的量程为____________(填“0～3 V”或“0～15 V”)；电流表应选用的量程为______________(填“0～0.6 A”或“0～3 A”)；变阻器应选用______；(2)根据实验要求连接实物电路图；(3)实验测得的6组数据已在U－I图中标出，如图所示，请你根据数据点位置完成U－I图线，并由图线求出该电池的电动势E＝_______ V，电阻r＝________Ω。0～3 V　0～0.6 A　R1　1.5　0.50　答案：(2)(3)U－I图线如图所示解析：(1)一节干电池的电动势为1.5 V，故电压表选择0～3 V即可；流经干电池的电流不允许过大，故电流表选择0～0.6 A即可；变阻器选择R1，电压表示数变化明显，调节灵敏；(3)由闭合电路欧姆定律E＝U＋Ir得，U＝－rI＋E，在U－I图像中，纵轴截距表示电源电动势，斜率绝对值表示电源内阻。