（天津专用）2020届高考物理一轮复习 实验课13 测量电源的电动势与内阻课件 新人教版

实验课13测量电源的电动势与内阻-2-一、实验目的1.测定电源的电动势和内阻。2.掌握用图像法求电动势和内阻。二、实验原理1.实验依据闭合电路欧姆定律。2.实验电路:如图所示。-3-三、实验器材电池(被测电源)、电压表、电流表、滑动变阻器、开关、导线、坐标纸、铅笔。四、实验步骤1.电流表用0.6A量程,电压表用3V量程,按实验原理图所示连接好电路。2.把滑动变阻器的滑片移动到使接入电路的阻值最大的一端。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)。用同样方法测量几组I、U值,填入表格中。物理量第1组第2组第3组第4组第5组第6组U/VI/A4.断开开关,拆除电路,整理好器材。-4-四、实验数据处理1.公式法:E和r的求解,由U=E-Ir得U1=E-I1rU2=E-I2r解得E=I1U2-I2U1I1-I2r=U2-U1I1-I2取上表6组对应的U、I数据,数据满足关系式U1=E-I1r、U2=E-I2r、U3=E-I3r……让第1式和第4式联立方程,第2式和第5式联立方程,第3式和第6式联立方程,这样解得三组E、r,分别取平均值作为电池的电动势E和内阻r的大小。-5-2.作图法:作图法数据处理,如图所示。(1)图线与纵轴交点为电动势E。(2)图线与横轴交点为短路电流I短=Er。(3)图线的斜率的绝对值表示内阻r=𝛥U𝛥I。以路端电压U为纵轴、干路电流I为横轴建立U-I坐标系,在坐标平面内描出各组(U,I)值所对应的点,然后尽量多地通过这些点作一条直线,使不在直线上的点大致均匀分布在直线两侧,则直线与纵轴交点的纵坐标即是电池电动势的大小(一次函数的纵轴截距),直线的斜率的绝对值即为电池的内阻r,即r=𝛥U𝛥I。-6-五、注意事项1.可选用旧电池:为了使电路的路端电压变化明显,电池的内阻宜大些,可选用已使用过一段时间的1号干电池。2.电流不要过大,读数要快:干电池在大电流放电时,电动势E会明显下降,内阻r会明显增大。因此,实验中不要将I调得过大,读电表要快,每次读完立即断电。3.计算法求E、r:要测出不少于6组I、U数据,且变化范围要大些,用方程组求解时,要将测出的I、U数据中,第1和第4为一组、第2和第5为一组、第3和第6为一组,分别解出E、r值再求平均值。-7-4.合理选择标度:为使图线分布空间大,如图所示,纵坐标可以不从零开始,则图线和横轴的交点不再是短路电流,电源的内阻不能用r=EI短确定,应根据r=𝛥U𝛥I确定。-8-六、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图像时描点不很准确。2.系统误差,由于电压表和电流表内阻影响而导致的误差。甲(1)当电路如图甲所示时,即电流表内接时,系统误差源于电压表的分流,由于电压表的分流作用,使电流表示数I小于电池的输出电流I真,导致电源电动势和内阻的测量值E测和r测都比真实值E真和r真小。具体分析时可采用以下几种方法:-9-①理论分析法对于测量电路,由闭合电路的欧姆定律得E测=U1+I1r测,E测=U2+I2r测,解得E测=I2U1-I1U2I2-I1,r测=U1-U2I2-I1。若考虑电压表的分流作用,方程修正为E真=U1+I1+U1R𝑉r真,E真=U2+I2+U2R𝑉r真,解得E真=I2U1-I1U2I2-I1-U1-U2R𝑉,r真=U1-U2I2-I1-U1-U2R𝑉。比较得E测E真,r测r真。-10-②图像修正法乙由于电压表分流IV,使电流表示数I小于电池的输出电流I真,I真=I+IV,而,U越大,IV越大。它们的关系如图乙所示。实测的图线为AB,经过IV修正后的图线为A'B,可看出AB斜率的绝对值和在纵轴上的截距都小于A'B,即实测的E和r都小于真实值。IV=UR𝑉-11-③等效电源法丙若把图丙中的R和电流表看成外电路,则电压表可看成内电路的一部分,故实际测出的是电池和电压表整体等效内阻。因电压表和电池并联,故等效内阻r=R𝑉r真R𝑉+r真小于电池内阻r真。外电路断开时,电压表与电源构成闭合回路,此时ab两点间的电压Uab,即为等效电动势E=R𝑉R𝑉+rE真,小于电池电动势E真。-12-(2)伏安法测E、r还可接成如图丁所示的电路,即电流表外接时,该测量电路存在的系统误差是由于电流表的分压作用导致的。因为U真=U测+UA=U测+IRA,RA为电流表的内阻,这样在U-I图线上对应每一个I应加上一修正值ΔU=IRA,由于RA很小,所以在I很小时,ΔU趋于零,I增大,ΔU也增大,理论值与测量值的差异如图戊所示。丁戊由图可知E测=E真,r测r真(内阻测量误差非常大)。另外两种误差的分析方法请参照(1)中的方法自行分析。-13-考向1考向2考向3实验原理与操作例1用如图所示电路测量电源的电动势和内阻。实验器材:待测电源(电动势约3V,内阻约2Ω),保护电阻R1(阻值10Ω)和R2(阻值5Ω),滑动变阻器R,电流表A,电压表V,开关S,导线若干。-14-考向1考向2考向3实验主要步骤:(ⅰ)将滑动变阻器接入电路的阻值调到最大,闭合开关;(ⅱ)逐渐减小滑动变阻器接入电路的阻值,记下电压表的示数U和相应电流表的示数I;(ⅲ)以U为纵坐标,I为横坐标,作U-I图线(U、I都用国际单位);(ⅳ)求出U-I图线斜率的绝对值k和在横轴上的截距a。回答下列问题:(1)电压表最好选用;电流表最好选用。A.电压表(0~3V,内阻约15kΩ)B.电压表(0~3V,内阻约3kΩ)C.电流表(0~200mA,内阻约2Ω)D.电流表(0~30mA,内阻约2Ω)-15-考向1考向2考向3(2)滑动变阻器的滑片从左向右滑动,发现电压表示数增大,两导线与滑动变阻器接线柱连接情况是。A.两导线接在滑动变阻器电阻丝两端的接线柱B.两导线接在滑动变阻器金属杆两端的接线柱C.一条导线接在滑动变阻器金属杆左端接线柱,另一条导线接在电阻丝左端接线柱D.一条导线接在滑动变阻器金属杆右端接线柱,另一条导线接在电阻丝右端接线柱(3)选用k、a、R1和R2表示待测电源的电动势E和内阻r的表达式E=,r=。代入数值可得E和r的测量值。-16-考向1考向2考向3解析(1)因电源电动势为3V,且电压表内阻越大,系统误差越小,所以电压表选A;通过电流表的最大电流约为=176.5mA,所以电流表选C;(2)滑动变阻器的滑片从左向右滑动,发现电压表示数增大,说明滑动变阻器连入电路的电阻丝长度在增长,故滑片P左侧电阻丝连入电路,所以一条导线接在电阻丝左端接线柱,另一条导线接在滑动变阻器金属杆两端中的任意一端接线柱都可,选项C正确;(3)由闭合电路欧姆定律E=U+I(r+R2),可得U=E-I(r+R2),由题意U=0时,I=a,且r+R2=k,所以得E=ka;r=k-R2。答案(1)AC(2)C(3)kak-R23V2Ω+10Ω+5Ω-17-考向1考向2考向3实验数据处理例2用电流表和电压表测定电池的电动势E和内阻r,所用电路如图甲所示,一位同学测得的6组数据如下表所示。物理量123456电流I/A0.120.200.310.320.500.57电压U/V1.371.321.241.181.101.05甲-18-考向1考向2考向3(1)试根据这些数据在图乙中作出U-I图线。乙(2)根据图线求出电池的电动势E=V,电池的内阻r=Ω。(3)若一位同学未画出图线,只选用其中两组U和I数据,可利用公式E=U+Ir,算出E和r,这样做可能得出误差较大的结果。选用第组和第组数据,求得E、r的误差最大。-19-考向1考向2考向3解析(1)作图时先建立坐标系,建立坐标系时纵轴的电压应从1.00V开始取点,再进行描点,然后连线。在连线时发现坐标(0.32,1.18)显然不在直线上,所以应将此点舍掉。连线如图所示。-20-考向1考向2考向3(2)连成线后,将线延长分别与两坐标轴相交,在纵轴的截距为1.46V,此即为电动势。再利用点(0.12,1.37)和点(0.57,1.05)可求出这条直线斜率的绝对值(3)选用第3组和第4组数据求得的结果误差最大。由图知,当过第3组和第4组数据作直线时,此直线与原直线偏离最大,因此误差最大。答案(1)见解析(2)1.460.71(3)34r=1.37-1.050.12-0.57Ω≈0.71Ω。-21-考向1考向2考向3实验探究拓展1.安阻法(1)实验原理用一个电流表和电阻箱测量,电路如图所示,测量原理为E=I1(R1+r),E=I2(R2+r),由此可求出E和r,此种方法使测得的电动势无偏差,内阻偏大。若已知电流表A的阻值可消除测内阻的系统误差。-22-考向1考向2考向3(2)图像法处理数据1I=1ER+rER=E·1I-r-23-考向1考向2考向32.伏阻法(1)实验原理用一个电压表和电阻箱测量,电路如图所示,测量原理为E=U1+U1R1r,E=U2+U2R2r,由此可求出r和E,此种方法测得的电动势和内阻均偏小。-24-考向1考向2考向3(2)图像法处理数据1U=rE·1R+1E-25-考向1考向2考向3例3某同学通过查找资料自己动手制作了一个电池。该同学想测量一下这个电池的电动势E和内阻r,但是从实验室只借到一个开关、一个电阻箱(最大阻值为999.9Ω,可当标准电阻用)、一只电流表(量程Ig=0.6A,内阻rg=0.1Ω)和若干导线。(1)请根据测定电动势E和内阻r的要求,设计图甲中器材的连接方式,把它们连接起来。甲-26-考向1考向2考向3(2)闭合开关,逐次改变电阻箱的阻值R,读出与R对应的电流表的示数I,并作记录。当电阻箱的阻值R=2.6Ω时,其对应的电流表的示数如图乙所示。处理实验数据时,首先计算出每个电流值I的倒数1I;再制作R-1I坐标图,如图丙所示,图中已标注出了1I,R的几个测量对应的坐标点,请你将与图乙实验数据对应的坐标点也标注在图丙上。乙-27-考向1考向2考向3(3)在图丙上把描绘出的坐标点连成图线。丙(4)根据图丙描绘出的图线可得出这个电池的电动势E=V,内阻r=Ω。-28-考向1考向2考向3解析(1)把各器件直接串联即可。(2)当R=2.6Ω时,由题图乙可知I=0.5A,=2A-1,坐标为(2,2.6)。1𝐼-29-考向1考向2考向3(3)图线是一条倾斜的直线。连线时不能连成折线;为减小偶然误差,个别偏离太远的点舍去。(4)由闭合电路的欧姆定律得E=I(R+r+rg),则R=𝐸𝐼-(r+rg),故图线的斜率k表示电池电动势E的大小,纵轴截距的绝对值表示(r+rg)。E=k=6.0-04.20-0.25V≈1.52V,r≈0.3Ω。答案(1)(2)(3)见解析(4)1.520.3-30-考向1考向2考向3例4(2017·天津卷)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=1.0kΩ,电阻R1=9.0kΩ,为了方便读数和作图,给电池串联一个R0=3.0Ω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。-31-考向1考向2考向3(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滑片位置,得到电流表A1和A2的多组I1、I2数据,作出图像如右图。由I1-I2图像得到电池的电动势E=V,内阻r=Ω。-32-考向1考向2考向3解析(1)用多用电表的电压挡先测量a、b'间电压,读数不为零,可知a、b'间存在断路;若测量a、a'间电压,读数不为零,则aa'段存在断路,反之bb'段存在断路。(2)根据题中电路图可得E=I1(r1+R1)+(I1+I2)(r+R0)整理后可得I1=-𝑟+𝑅0𝑟1+𝑅1+𝑟+𝑅0I2+𝐸𝑟1+𝑅1+𝑟+𝑅0结合题中I1-I2图像可得0.05-0.14260=-𝑟+𝑅0𝑟1+�