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新高考物理一轮复习重难点练习实验11 测量电源的电动势和内电阻(2份打包,原卷版+解析版)
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1.理解测量电源电动势和内电阻的实验原理——闭合电路欧姆定律.
2.掌握用电流表和电压表测定电源的电动势和内电阻的方法.
3.掌握实物图连接的技巧.
4.会用图像处理实验数据.
一、伏安法测电源的电动势和内电阻
1.实验原理
闭合电路欧姆定律.
2.实验器材
干电池、电压表、电流表、滑动变阻器、开关、导线、坐标纸和刻度尺.
3.实验步骤
(1)电流表用0.6 A的量程,电压表用3 V的量程,按图连接好电路.
(2)把滑动变阻器的滑片移到接入电路阻值最大的一端.
(3)闭合开关,调节滑动变阻器,使电流表有明显示数并记录一组数据(I1,U1).用同样的方法再测量几组I、U值,填入表格中.
(4)断开开关,拆除电路,整理好器材.
4.实验数据处理
(1)列方程组eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(E=U1+I1r,E=U2+I2r)),解出E、r,并多次测量求平均值.
(2)用作图法处理数据,如图所示.
①图线与纵轴交点为电源电动势E;
②图线斜率的绝对值为内阻r.
5.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:
①方法a 若采用甲图电路,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测的差越大,IV=eq \f(U,RV).其中U-I图像如图乙所示.
结论:E测
如图甲所示,E测=eq \f(RV,RV+r)E真
结论:E测=E真,r测>r真.
方法b 等效电源法
如图丙所示,E测=E真,r测=r+RA>r真.
(3)电路选择:
①电源内阻一般较小,选图甲电路误差较小.
②当内阻已知时选图丙电路,此时r=k-RA,没有系统误差.
6.注意事项
(1)为了使路端电压变化明显,可使用内阻较大的旧电池.
(2)电流不要过大,应小于0.5 A,读数要快.
(3)要测出不少于6组的(I,U)数据,变化范围要大些.
(4)若U-I图线纵轴刻度不从零开始,则图线和横轴的交点不再是短路电流,内阻应根据r=|eq \f(ΔU,ΔI)|确定.
【典例1】(2022·浙江·慈溪中学高二阶段练习)小明同学尝试测量电瓶车上蓄电池的电动势和内阻。
①已知电源内阻比较小,移动滑动变阻器滑片时,为了使电压表示数变化比较明显,小明在思考后将R0=7Ω的定值电阻串入电路中,如图甲中的___________(选填“A”或“B”)。
②选定设计的实验电路,多次调节滑动变阻器R阻值,读出相应的电压表和电流表示数U和I,由将测得的数据描绘出如图乙所示的U-I图像。蓄电池的内阻r0=___________Ω。(结果保留两位有效数字)
③该同学分析了实验中由电表内阻引起的实验误差。下图中,实线是根据本实验的数据描点作图得到的U-I图像;虚线是该电源在没有电表内阻影响的理想情况下所对应的U-I图像。则可能正确的是___________。
【答案】 A 1.0 C
【解析】①[1]为了使电压表变化明显,应将电路连接成A图形式,此时R0相当于内电阻。
②[2]蓄电池的内阻与R0串联后的总阻值为U—I图像的斜率的绝对值,即
SKIPIF 1 < 0
因此电源内电阻
SKIPIF 1 < 0
③[3]该实验的主要实验误差来源于电压表的分流作用,理论上当外电路短路时,电压表没有分流作用,电流是准确的,随着路端电压的升高,电压表的分流作用逐渐增加,测量值明显小于真实值,因此测量的图像应在真实图像的下方,且短路电流时,两个图像重合。
故选C。
【典例2】(2022·海南·昌江黎族自治县矿区中学二模)(1)某同学用螺旋测微器测量一物体的直径,读出图中读数为___________mm
(2)在测量电源电动势和内电阻的实验中,有电压表V(量程为3V,内阻约3kΩ);电流表A(量程为0.6A,内阻约为0.70Ω);滑动变阻器R(10Ω,2A)。为了更准确地测出电源电动势和内阻设计了如图所示的电路图。
①如图所示在闭合开关之前为防止电表过载而滑动变阻器的滑动头P应放在___________(选填“a”或“b”)处;
②在实验中测得多组电压和电流值,得到如图所示的U-I图线,由图可得该电源电动势E=___________V,内阻r=___________Ω。
(3)某同学在设计电压表改装时,将一个内阻为60Ω,满偏电流为0.5mA的电流表表头改成量程为3V的电压表,需要___________(选填“串”或“并”)联一个阻值___________Ω的电阻。
【答案】 1.705 a 1.5 1.0 串 5940
【解析】(1)[1]用螺旋测微器测量一物体的直径读数为1.5mm+0.01mm×20.5=1.705mm
(2)①[2]如图所示在闭合开关之前为防止电表过载而滑动变阻器的滑动头P应放在a处;
②[3][4]由图可得该电源电动势
E=1.5V
内阻
SKIPIF 1 < 0
(3)[5][6]某同学在设计电压表改装时,将一个内阻为60Ω,满偏电流为0.5mA的电流表表头改成量程为3V的电压表,需要串联一个电阻,根据
SKIPIF 1 < 0
可得
R=5940Ω
即串联的电阻阻值5940Ω。
【典例3】(2022·贵州·镇远县文德民族中学校高三阶段练习)如图甲所示电路,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 SKIPIF 1 < 0 ,连接电路的实物图如图乙所示。
(1)该学生接线中错误的和不规范的做法是______。
A.滑动变阻器不起变阻作用 B.电流表接线有错
C.电压表量程选用不当 D.电压表接线不妥
(2)该同学将电路按正确的电路图连接好,检查无误后,闭合开关,进行实验,某一次电表的示数如图丙所示,则电压表的读数为______V,电流表的读数为______A。
【答案】 AD##DA SKIPIF 1 < 0 ##1.19##1.21 SKIPIF 1 < 0 ##0.25##0.27
【解析】(1)[1]A.由图可知,滑动变阻器均接下边两个接线柱,起不到变阻的作用,接法错误;
B.电流表的接法使得电流从正接线柱流入,从负接线柱流出,接法正确;
C.电源为一节干电池,则电压表选用 SKIPIF 1 < 0 ,图中量程选择正确;
D.由电路图可知,电压表的正接线柱应与开关连接,使得开关对电压表有控制作用,接法错误。
本题选择错误的和不规范的做法,故选AD。
(2)[2]电压表的量程为 SKIPIF 1 < 0 ,分度值为 SKIPIF 1 < 0 ,读数保留至百分位,因此电压表的读数为
SKIPIF 1 < 0
[3]电流表的量程为 SKIPIF 1 < 0 ,分度值为 SKIPIF 1 < 0 ,读数保留至百分位,因此电流表的读数为
SKIPIF 1 < 0
二、安阻法测电动势和内电阻
1.实验原理
闭合电路的欧姆定律E=IR+Ir,电路图如图所示.
2.实验器材
电池、电流表、电阻箱、开关、导线、坐标纸和刻度尺.
3.数据处理
(1)计算法:由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(E=I1R1+I1r,E=I2R2+I2r))
解方程组求得E,r.
(2)图像法:由E=I(R+r)可得
①eq \f(1,I)=eq \f(1,E)R+eq \f(r,E),可作eq \f(1,I)-R图像(如图甲)
eq \f(1,I)-R图像的斜率k=eq \f(1,E),纵轴截距为eq \f(r,E)
②R=E·eq \f(1,I)-r,可作R-eq \f(1,I)图像(如图乙)
R-eq \f(1,I)图像的斜率k=E,纵轴截距为-r.
4.误差分析
(1)误差来源:电流表有电阻,导致内阻测量不准确;
(2)结论:E测=E真,r测>r真(r测=r真+rA).
【典例4】(2020·全国·高三专题练习)某学习小组利用安阻法测量电源电动势和内阻,电路图如图甲所示,R为电阻箱。
(1)在实验时,发现实验室没有合适的电流表,现需将量程 SKIPIF 1 < 0 ,内阻 SKIPIF 1 < 0 的电流表改装为 SKIPIF 1 < 0 的电流表,应_______________(填“串”或“并”)联_______ SKIPIF 1 < 0 的电阻。
(2)实验记录数据如表所示(其中I为 SKIPIF 1 < 0 电流表的读数)
(3)根据(2)中的实验数据在图乙中作出 SKIPIF 1 < 0 图像_______。
(4)作出的 SKIPIF 1 < 0 图像斜率为k,与纵坐标截距为b,则电源电动势和内阻表达式为 SKIPIF 1 < 0 _______, SKIPIF 1 < 0 _____。(用k、b表示)
(5)根据(3)中 SKIPIF 1 < 0 图象求出 SKIPIF 1 < 0 ________V, SKIPIF 1 < 0 ________ SKIPIF 1 < 0 。(保留小数点后两位)
0。(保留小数点后两位)
【答案】 并 1.0 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 2.73( SKIPIF 1 < 0 ) 4.44( SKIPIF 1 < 0 )
【解析】(1)[1][2].小量程电流表改装成大量程电流表,必须并联一小电阻分流,由
SKIPIF 1 < 0
解得
SKIPIF 1 < 0 。
(3)[3].利用描点法作出图线,如图所示。
(4)[4][5].由于改装成大量程电流表的总电阻为 SKIPIF 1 < 0 ,流经电源电流大小为 SKIPIF 1 < 0 ,故
SKIPIF 1 < 0
变式
SKIPIF 1 < 0
得
SKIPIF 1 < 0
SKIPIF 1 < 0
解得
SKIPIF 1 < 0
SKIPIF 1 < 0 。
(5)[6][7].由图像知图线斜率 SKIPIF 1 < 0 ,与纵坐标截距为 SKIPIF 1 < 0 ,故
SKIPIF 1 < 0
SKIPIF 1 < 0 。
【典例5】(2018·江苏卷·10)一同学测量某干电池的电动势和内阻.
(1)如图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________________;
________________.
(2)实验测得的电阻箱阻值R和电流表示数I,以及计算的eq \f(1,I)数据见下表:
根据表中数据,在方格纸上作出R-eq \f(1,I)关系图像.
由图像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所示,则该干电池的电动势应为________V,内阻应为______Ω.
【解析】((1)开关未断开 电阻箱阻值为零
(2)见解析图 1.34(1.30~1.44都算对) 1.2(1.0~1.4都算对) (3)1.34[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]
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,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=eq \f(E,I)-r=E·eq \f(1,I)-r,
即R-eq \f(1,I)图像为直线.
描点连线后图像如图所示.
根据图像可知r=1.2 Ω.
图像的斜率为电动势E,
在R-eq \f(1,I)图像上取两点(2,1.59)、(5,5.61)
则E=eq \f(5.61-1.59,5-2) V=1.34 V.
(3)根据欧姆定律,得电流表的内阻
rA=eq \f(U,I)=eq \f(66×10-3,0.33) Ω=0.2 Ω,
该干电池的内阻应为r′=r-rA=1.0 Ω
R-eq \f(1,I)图像的斜率仍为电动势E,即E=1.34 V.
三、伏阻法测电动势和内电阻
1.实验原理
闭合电路欧姆定律E=U+eq \f(U,R)r,电路图如图所示.
2.实验器材
电池、电压表、电阻箱、开关、导线、坐标纸和刻度尺.
3.数据处理
(1)计算法:由eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(E=U1+\f(U1,R1)r,E=U2+\f(U2,R2)r))
解方程组可求得E和r.
(2)图像法:由E=U+eq \f(U,R)r得:eq \f(1,U)=eq \f(1,E)+eq \f(r,E)·eq \f(1,R).故eq \f(1,U)-eq \f(1,R)图像的斜率k=eq \f(r,E),纵轴截距为eq \f(1,E),如图.
4.误差分析
(1)误差来源:电压表有内阻,干路电流表达式不准确,导致电动势测量不准确;
(2)结论:E测<E真,r测<r真.
【典例6】 (2021·全国乙卷·23)一实验小组利用图(a)所示的电路测量一电池的电动势E(约1.5 V)和内阻r(小于2 Ω).图中电压表量程为1 V,内阻RV=380.0 Ω;定值电阻R0=20.0 Ω;电阻箱R最大阻值为999.9 Ω;S为开关.按电路图连接电路.完成下列填空:
(1)为保护电压表,闭合开关前,电阻箱接入电路的电阻值可以选________Ω(填“5.0”或“15.0”);
(2)闭合开关,多次调节电阻箱,记录下阻值R和电压表的相应读数U;
(3)根据图(a)所示电路,用R、R0、RV、E和r表示eq \f(1,U),得eq \f(1,U)=________;
(4)利用测量数据,作eq \f(1,U)-R图线,如图(b)所示:
(5)通过图(b)可得E=________V(保留2位小数),r=________Ω(保留1位小数);
(6)若将图(a)中的电压表当成理想电表,得到的电源电动势为E′,由此产生的误差为eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(\f(E′-E,E)))×100%=________%.
【答案】 (1)15.0
(3)eq \f(R0+RV,ERVR0)·R+eq \f(1,E)+eq \f(RV+R0r,ERVR0)
(5)1.55 1.0 (6)5
【解析】(1)为了避免电压表被烧坏,接通电路时电压表两端的电压不能比电压表满偏电压大,当电压表满偏时有
eq \f(Um,\f(RVR0,RV+R0))=eq \f(E-Um,R+r)
代入数据解得R+r=9.5 Ω,故R>7.5 Ω
因此电阻箱接入电路的电阻值选15.0 Ω.
(3)由闭合回路的欧姆定律可得
E=U+eq \f(U,\f(RVR0,RV+R0))(R+r)
化简可得eq \f(1,U)=eq \f(R0+RV,ERVR0)·R+eq \f(1,E)+eq \f(RV+R0,ERVR0)r
(5)由上面公式可得eq \f(R0+RV,ERVR0)=k=eq \f(1,19E),
eq \f(1,E)+eq \f(RV+R0,ERVR0)r=b=eq \f(1,E)+eq \f(r,19E)
由eq \f(1,U)-R图像计算可得k≈0.034 V-1·Ω
延长图线,得到图线与纵轴的交点为0.85 V-1,则有0.85 V-1=eq \f(1,E)+eq \f(r,19E)+eq \f(5,19E)(V-1)
代入可得E≈1.55 V,r≈1.0 Ω.
(6)如果电压表为理想电压表,则有
eq \f(1,U)=eq \f(1,E)+eq \f(r,ER0)+eq \f(1,ER0)R
则此时E′=eq \f(1,20k)
因此误差为eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(\f(\f(1,20k)-\f(1,19k),\f(1,19k))))×100%=5%.
【典例7】(2022·江苏省昆山中学模拟预测)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 SKIPIF 1 < 0 )、一个电流表(内阻为 SKIPIF 1 < 0 )、一根均匀电阻丝(电阻丝总阻值大于 SKIPIF 1 < 0 ,并配有可在电阻丝上移动的金属夹)、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 SKIPIF 1 < 0 和电流表示数 SKIPIF 1 < 0 ,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 SKIPIF 1 < 0 ,与纵轴截距为d,设单位角度对应电阻丝的阻值为 SKIPIF 1 < 0 ,该电池电动势和内阻可表示为 SKIPIF 1 < 0 ___________, SKIPIF 1 < 0 ___________(用 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、 SKIPIF 1 < 0 、d、 SKIPIF 1 < 0 表示),此实验中的r测_______r真(填“大于”,“等于”或“小于”)
(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 SKIPIF 1 < 0 。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 SKIPIF 1 < 0 ,可得该电池的电动势和内阻。
【答案】 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 等于
【解析】(2)[1]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 SKIPIF 1 < 0 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 SKIPIF 1 < 0 端。
(4)[2][3]设圆心角为 SKIPIF 1 < 0 时,电阻丝接入电路中的电阻为 SKIPIF 1 < 0 ,根据闭合电路欧姆定律 SKIPIF 1 < 0 可知
SKIPIF 1 < 0
整理得
SKIPIF 1 < 0
结合图像的斜率和截距满足
SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0
解得电源电动势和内阻为
SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0
[4]此实验中电流表的内阻已知,测得的电源内阻值等于真实的内阻值。
(5)[5]实验器材中有定值电阻 SKIPIF 1 < 0 和单刀双掷开关,考虑使用等效法测量电阻丝电阻,如图
原理的简单说明:
①将开关置于 SKIPIF 1 < 0 位置,读出电流表示数 SKIPIF 1 < 0 ;
②将开关置于电阻丝处,调节电阻丝的角度,直到电流表示数为 SKIPIF 1 < 0 ,读出此时角度θ;
③此时 SKIPIF 1 < 0 ,即可求得 SKIPIF 1 < 0 的数值。
【典例8】(2022·湖北省罗田县第一中学模拟预测)如图甲是家用电子体重秤,因为轻小方便深受人们的青眯。某同学用电子体重秤上的压敏电阻R和一个电流表测定电池的电动势和内阻。该同学通过查阅说明书得知该压敏电阻的阻值只和其受到的压力FN有关,R=R0+kFN,其中R0和k为已知常数,当地重力加速度为g。
备有下列器材:待测电池压敏电阻、天平、电流表一只、质量不同的物体、开关一个、导线若干。主要实验步骤如下:
①按设计电路图乙连接好实物图;
②用天平测量物体的质量m,将物体放在压敏电阻上,闭合开关S,读出对应的电流表示数I;
③更换不同质量的物体,重复②的操作记录多组数据;
④根据所测量的数据做出图像如图丙所示,b为图线在纵轴上的截距,a、c为图线上一个点的坐标值。
回答以下问题:
(1)如图丙所示,选取 SKIPIF 1 < 0 为纵坐标,要符合图中图线特点,则横坐标x代表的物理量为___________(填“ SKIPIF 1 < 0 ”或“m”);
(2)若电流表的内阻可忽略,根据(1)问中选取横坐标后的图丙图像可知,待测电池的电动势E=__________,内阻r=__________(选用k、a、b、c、g、R0表示);
(3)若电流表的内阻不可忽略,分析可知该电池的电动势的测量值__________(填“大于”、“小于”或“等于”)真实值,该电池内阻的测量值__________(填“大于”、“小于”或“等于”)真实值。
【答案】 m SKIPIF 1 < 0 SKIPIF 1 < 0 等于 大于
【解析】(1)[1]已知该压敏电阻的阻值与其受到的压力关系为
R=R0+kFN
用天平测量物体的质量m,则有
R=R0+kmg
根据闭合电荷欧姆定律得
SKIPIF 1 < 0
整理得
SKIPIF 1 < 0
根据表达式关系可知,则横坐标x代表的物理量为m;
(2)[2]根据电流的倒数与质量关系可知,图像的纵坐标的截距为
SKIPIF 1 < 0
图像的斜率为
SKIPIF 1 < 0
联立解得
SKIPIF 1 < 0 , SKIPIF 1 < 0
(3)[3][4]若电流表的内阻不可忽略,可将电流表内阻等效看作电源内阻,分析可知该电池的电动势的测量值等于真实值,该电池内阻的测量值大于真实值。
【典例9】(2022·广东·模拟预测)某实验小组欲测量一节旧干电池的电动势和内阻,现有实验器材如下:
A.电压表(0~0.5V,内阻RV未知)
B.电流表(0~10mA,内阻RA=60Ω)
C.电阻箱R0(最大阻值为99999.9Ω)
D.滑动变阻器R(0~20Ω)
E.定值电阻R1=1Ω
F.定值电阻R2=20Ω
G.开关一个,导线若干
(1)为了使电压表量程满足实验要求,实验小组首先测量电压表内阻。考虑到电压表内阻远大于干电池内阻,采取的实验电路如图甲所示。其步骤为先调节电阻箱阻值,使电压表指针指在三分之一量程刻度线处,记下电阻箱的阻值R3,再调节电阻箱阻值,使电压表指针指在三分之二量程刻度线处,记下电阻箱的阻值为R4,则电压表的内阻RV=___。
(2)测得电压表内阻为3000Ω,实验小组采取如图乙所示电路测量废旧干电池的电动势,电压表量程要扩大为原来的3倍,则R0应调到___Ω,与电流表并联的电阻应选_________(选填“R1”或“R2”)。
(3)调节滑动变阻器,根据电压表与电流表的示数作出如图丙所示的U-Ⅰ图线,横轴表示电流表的示数,纵轴表示电压表的示数。由图线求得电池的电动势E=_________V,内阻r=__Ω。(结果均保留三位有效数字)
【答案】 SKIPIF 1 < 0 6000 SKIPIF 1 < 0 1.44 1.38
【解析】(1)[1]设电源电动势为E,电压表量程为U,根据闭合电路欧姆定律有
SKIPIF 1 < 0
SKIPIF 1 < 0
联立解得
SKIPIF 1 < 0
(2)[2]电压表量程扩大为原来的3倍,则有
SKIPIF 1 < 0
解得
SKIPIF 1 < 0
[3]与电流表并联的电阻是 SKIPIF 1 < 0 时,能测的最大电流
SKIPIF 1 < 0
与电流表并联的电阻是 SKIPIF 1 < 0 时,能测的最大电流为
SKIPIF 1 < 0
两种情况相比较,选择 SKIPIF 1 < 0 可以测量较大范围的电流,能满足需求。
(3)[4][5]由图线可知,电池的电动势
SKIPIF 1 < 0
电源的内阻
SKIPIF 1 < 0
1
2
3
4
5
6
SKIPIF 1 < 0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
SKIPIF 1 < 0
72.5
62.1
55.0
49.5
44.2
39.8
SKIPIF 1 < 0
13.8
16.1
18.2
20.2
22.6
25.1
R/Ω
8.0
7.0
6.0
5.0
4.0
I/A
0.15
0.17
0.19
0.22
0.26
eq \f(1,I)/A-1
6.7
5.9
5.3
4.5
3.8
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