新教材高考物理一轮复习第9章电路实验13电池电动势和内阻的测量课件

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一、实验目的1.测量电源的电动势和内阻。2.加深对闭合电路欧姆定律的理解。二、实验思路如图甲或图乙所示,改变R的阻值,从电压表和电流表中读出几组U、I值,利用闭合电路的欧姆定律求E、r值。
三、实验器材电池、电压表、电流表、滑动变阻器、开关、导线、坐标纸、铅笔和刻度尺。四、进行实验1.按实验电路图连接电路。2.把变阻器的滑片移动到使接入电路阻值最大的一端。3.闭合开关,调节变阻器,记录几组I、U值,填入表格中。4.断开开关,拆除电路,整理好器材。
五、数据处理方法一:列方程组求解电动势和内阻的大小根据以上三组方程分别求出E、r,再取其平均值作为电源的电动势E和内阻r。方法二:用作图法处理数据,如图丙所示。 (1)图线与纵轴交点为E;
六、误差分析1.由于读数不准和电表线性不良引起误差。2.用图像法求E和r时,由于作图不准确造成误差。3.实验时通电时间过长或电流过大,都会引起E、r变化。4.若采用图甲电路,由于电压表的分流作用造成误差,电压值越大,电压表的分流越多,对应的I真与I测的差值越大。其U-I图像如图丁所示。结论:E测5.若采用图乙电路,由于电流表的分压作用造成误差,电流值越大,电流表的分压越多,对应的U真与U测的差值越大。其U-I图像如图戊所示。结论:E测=E真,r测>r真。
七、注意事项1.为了使电池的路端电压变化明显,应选内阻大些的电池(选用已使用过一段时间的干电池)。2.在实验中不要将I调得过大,每次读完U和I的数据后应立即断开电源,以免干电池的E和r明显变化。3.要测出多组(I,U)数据,且变化范围要大些。4.画U-I图线时,纵轴的刻度可以不从零开始,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)。但这时图线与横轴交点的横坐标值不再是短路电流,而图线与纵轴交点的纵坐标值仍为电源电动势,图线斜率的绝对值仍为内阻。
典例1.据媒体报道某艺术家用800个马铃薯和苹果通过镍钉和铜线连接起来,组成了一个超大的水果电池组,通过特殊装置就可以给手机充电。小明同学想通过实验来验证水果电池的可用性,他把铜片和锌片相隔约1 cm插入一个苹果中,制成一个水果电池,并采用如图甲所示的电路测量该水果电池的电动势和内阻。小明同学查阅资料后得知,水果电池的电动势约为1 V,内阻约为1 000 Ω,电流表量程为3 mA,内阻忽略不计。
(1)实验室的电阻箱有两种规格:电阻箱R1(0~99.9 Ω) 电阻箱R2(0~999.9 Ω),图甲中的电阻箱R应选用　　　　(选填“R1”或“R2”)。 (2)闭合开关S,改变电阻箱R的阻值,并记录对应的电流表的示数,其中某次电流表的示数如图乙所示,则电流表的示数为　　　　 mA。 
(3)利用电阻箱的阻值R与相应的电流表的示数I,作出R- 图像,如图丙所示。根据图像可得,水果电池的电动势为　　　　 V,内阻为　　　 Ω。(结果均保留两位有效数字) 
(4)若考虑电流表的内阻不能忽略,水果电池内阻的测量值　　　　(选填“大于”“小于”或“等于”)真实值。 
答案 (1)R2　(2)1.00　(3)1.1　1.1×103　(4)大于解析 (1)电源内阻是1 000 Ω,故选用R2,电流表示数才会有明显变化。(2)电流表的精度为0.1 mA,向后估读一位,故读数为1.00 mA。
典例2.某探究性学习小组利用如图所示的电路测量电池的电动势和内阻。其中电流表A1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。(1)按图示电路进行连接后,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触头位置,得到电流表A1和A2的多组I1、I2数据,作出图像如乙图。由I1-I2图像得到电池的电动势E=　　　　 V,内阻r=　　　　 Ω。 
思维点拨 本实验属于仪器的使用创新、装置的改造——没有直接给定电压表,需要用电流表改装。
答案 (1)aa'　bb'　(2)1.41(1.36~1.44均可)　0.5(0.4~0.6均可)解析 (1)用电压挡检测电路故障,电压表的表头是电流计,原电路有断路,回路中无电流,将电压表接在ab'间后有示数,说明电路被接通,即ab'间有断路故障,再测量aa'间电压,电压表读数不为零,说明断路故障的范围被缩小到aa'间,则一定是aa'导线断开;若读数为零,则说明电路仍未被接通,断路故障的范围被确定在bb'间。(2)根据闭合电路的欧姆定律E=I1(R1+r1)+(I1+I2)(R0+r),I1≪I2,上式可简化为E=I1(R1+r1)+I2(R0+r),读出两点坐标(60,0.12)和(260,0.05),代入方程解得电动势E=1.41 V,内阻r=0.5 Ω。
典例3.(2023广东佛山模拟)某同学为测定电池的电动势和内阻,设计了如图甲所示的电路。其中定值电阻阻值为R0、电流表内阻可忽略不计。由于一时没有找到适合的滑动变阻器,于是选择用一根均匀电阻丝代替(电阻丝总阻值大于R0,并配有可在电阻丝上移动的金属夹P,金属夹P的电阻可忽略)。
(1)根据图甲完成图乙中实物连线。(2)用欧姆表测量电阻丝的总电阻,先将选择开关旋至“×10”挡,红、黑表笔短接调零后进行测量,结果发现欧姆表指针偏角太大,则应将选择开关旋至　　　　　(选填“×1”或“×100”)挡并重新进行　　　　　。最终正确测量出电阻丝的总电阻为R。 (3)用游标卡尺测量电阻丝的总长度L,示数如图丙所示,则L=　　　　mm。(4)实验前,将P移到金属丝　　　　　(选填“a”或“c”)位置,合上开关S,调节金属夹的位置,依次测量出接入电路中的电阻丝长度x和电流表示数I,该小组同学根据实验数据描绘 -x函数图像如图丁所示,图线斜率为k,与纵轴截距为b,该电池电动势和内阻可表示为E=　　　　,r=　　　　。(用R0、R、k、b、L表示) 
解析 (1)根据电路图连接实物图如图所示。(2)选择开关旋至“×10”挡,欧姆表指针偏角太大,说明指针所指示数过小,由于电阻测量值=指针所指示数×倍率,为了增大指针所指示数,应将选择开关旋至“×1”挡,重新进行欧姆调零。(3)20分度游标卡尺的精确度为0.05 mm,电阻丝总长L=102 mm+6×0.05 mm=102.30 mm。
1.(2022浙江高三开学考试)利用如图甲所示的实验装置可以测量干电池的电动势和内阻。(1)将电源、开关、电阻箱和电流表组成一个串联电路,开关闭合之前把电阻箱阻值调到最大值。
(2)闭合开关,逐渐减小电阻箱的阻值,记录下电阻箱阻值R和对应的电流表示数I,多次改变电阻箱阻值,测量并记录5组R和相对应的电流I。
(3)以R为纵轴, 为横轴,将实验测得的5组实验数据在坐标系中描点、作图,得到如图乙所示的图像,则被测电池电动势测量值为　　　　 V(保留三位有效数字);被测干电池内阻测量值为　　　　 Ω(保留两位有效数字)。 
(4)误差分析:由于系统误差的影响,这种测量方法得到的电动势的测量值　　　　(选填“大于”“小于”或“等于”)真实值,电池内阻的测量值________　　　　(选填“大于”“小于”或“等于”)真实值。 
答案 (3)1.43(1.38~1.48均可)　2.0　(4)等于　大于
(4)由于电流表本身内阻是跟电池的内阻串联的,因此,得到的内阻1.2 Ω 包含电流表本身内阻,故内阻测量值大于真实值;由于电流表本身内阻不会影响图像斜率,电动势测量值等于真实值。
2.(2021天津卷)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　　　　。(均选填字母“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　　　　(填测量次数的序号)次的记录数据有误。 
(3)电路中接入R0的作用是　　　　(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
答案 (1)N　M　(2)4　(3)C解析 (1)电表N串联在电路中,测量干路电流,所以N为电流表;电表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。
3.(2022广东广州高三一模)某同学要测量量程为3 V电压表的内阻值,步骤如下:
(1)先用多用电表的欧姆挡测量量程为3 V电压表的内阻值,用欧姆“×100”挡测量,表盘示数如图甲所示,则电压表示数为　　　　 V,阻值约为　　　　 Ω。 
(2)要进一步精确测量电压表内阻值,实验室中可提供的器材有:电阻箱R,最大电阻为9 999 Ω;定值电阻r=2 kΩ;电动势约为6 V,内阻不计的电源E;开关、导线若干。实验的电路图如图乙所示,先正确连好电路,闭合开关S前,先调节电阻箱至电阻值　　　　(选填“最大”或“最小”)。闭合开关S,调节电阻箱R的电阻值,使得电压表的指针半偏,记下此时电阻箱R的电阻值R1=4 450 Ω;然后再调节电阻箱R的值,使电压表的指针满偏,记下此时电阻箱R的电阻值R2=150 Ω。计算得电压表内阻值RV=　　　　 Ω;若电源的内阻不能忽略,则电压表内阻RV的测量值将　　　　(选填“偏小”“不变”或“偏大”)。 
答案 (1)2.20　2 200　(2)最大　2 150　偏大解析 (1)电压表的最小分度为0.1 V,应估读到0.01 V,故读数为2.20 V;已知选择多用电表欧姆“×100”挡,所以阻值为22×100 Ω=2 200 Ω。(2)为保护电压表,在闭合开关S前,应调节电阻箱至电阻值最大设电压表半偏时电流为I,则电压表满偏时电流为2I,由闭合电路欧姆定律可得E=I(RV+R1+r)E=2I(RV+R2+r)联立代入数据可解得RV=2 150 Ω若电源的内阻不能忽略,假设为r',则闭合电路欧姆定律应为E=I(RV+R1+r+r')=2I(RV+R2+r+r')代入数据可解得电压表内阻的实际值为RV=2 150 Ω-r',则电压表内阻RV的测量值偏大。
4.(2023山东省实验中学高三一模)某同学从实验室找到如下器材,准备测未知电源电动势和内阻。A.待测电源一个B.直流电压表V,量程为3 V,内阻非常大C.定值电阻R0=150 ΩD.电阻箱RE.导线和开关该同学设计的电路如图甲所示,根据该电路进行实验操作:多次改变电阻箱的阻值,记录每次电阻箱的阻值R和电压表的示数U,在 -R坐标系中描出的坐标点如图乙所示。
(3)根据图线求得电源电动势E=　　　 V,内阻r=　　　　Ω。(结果保留三位有效数字) 
(2)拟合一次函数直线关系,作图如图所示。(3)根据图线求得斜率
5.(2023湖南长沙雅礼中学开学考试)某实验小组欲利用图甲所示的电路测定电源E1的电动势E和内阻r,已知图中电源E2的电动势为E0,内阻为r0,定值电阻的阻值为R0,电压表可视为理想电压表,S为单刀双掷开关。
(1)当S与1接通前,滑动变阻器的滑片P应置于　　　　(选填“左”或“右”)端。(2)S与1接通,改变滑片P的位置,记下电压表的示数U1,保持P不动,S与2接通,记下电压表的示数U2,重复以上操作,得到多组U1和U2的值。(3)该同学作出的 的图像如图乙所示,若测得图线的斜率为k,纵轴上的截距为b,则电源E的电动势为E=　　　　,内阻为r=　　　　　。(均用E0,R0,r0,k,b表示) 
解析 (1)为保护电路,S与1接通前,应使滑动变阻器接入电路的阻值最大,故滑动变阻器的滑片P应置于左端。
6.(2023广东深圳高三月考)现要测量某电源的电动势和内阻。可利用的器材有:电流表A,内阻很小;5个阻值均为R的定值电阻R1、R2、R3、R4、R5;开关S;一端连有鳄鱼夹P的导线1;其他导线若干。某同学设计的测量电路如图甲所示。
(1)按图甲在实物图乙中画出连线。(2)测量时,改变鳄鱼夹P所夹的位置,使R1、R2、R3、R4、R5依次串入电路,记录对应的电流表的示数I和连入电路中的电阻数目n,则电流I与电阻数目n的关系为 =　　　　(用题中所给字母R、n、E、r表示)。 
(4)由于电流表内阻的影响在本题中没有考虑,导致E测　　　　E真,r测　　　　r真。(均选填“>”“=”或“<”) 
解析 (1)根据题图甲,实物连线如图所示。