2019-2020学年高中物理 第二章 直流电路 第5节 学生实验：测量电源的电动势和内阻课件 教科

第二章直流电路第5节学生实验：测量电源的电动势和内阻01实验认知导学02实验核心解读03典例探究剖析04课后达标检测一、实验目的1．知道测量电源电动势和内阻的实验原理，进一步理解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办法．二、实验原理1．实验电路如图所示．2．实验原理根据闭合电路欧姆定律E＝U外＋Ir，改变外电路电阻R，用电流表和电压表测出两组总电流I1、I2和对应路端电压U1、U2，即可得到两个欧姆定律方程E＝U1＋I1r和E＝U2＋I2r，解此方程组可得电源的电动势为E＝I1U2－I2U1I1－I2，电源的内电阻为r＝U2－U1I1－I2.三、实验器材待测电池一节，电流表(0～0.6A)、电压表(0～3V)各一块，滑动变阻器一只，开关一只，导线若干．一、实验步骤1．确定电流表、电压表的量程，按如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一端使阻值最大．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且记录几组I和U的值，并填入下表：实验序号123456I/AU/V4.断开开关，整理好器材．二、数据处理1．公式法分别将1、4组，2、5组，3、6组联立方程组分别解出E1、r1，E2、r2，E3、r3，求出它们的平均值E＝E1＋E2＋E33，r＝r1＋r2＋r33作为测量结果．2．图像法把测出的多组U、I值，在U­I图中描点画图像，使U­I图像的直线经过尽可能多的坐标点并使不在直线上的各坐标点大致均匀地分布在直线的两侧，如图所示，由U＝E－Ir可知，图线与纵轴截距等于电动势E，因此斜率的绝对值等于内阻r，根据图线纵截距和斜率得出E、r(r＝|ΔUΔI|＝EIm)．三、误差分析1．电流表相对于待测电阻(电源内阻)外接(1)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IV＝URV，U越大，IV越大，它们的关系可用图乙表示．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．(2)对此也可由电路来解释：若把图甲中的R和电流表看成外电路，则电压表可看成内电路的一部分，故实测出的是电池和电压表这个整体等效的r和E.电压表和电池并联，故等效内阻r小于电池内阻r真，r测r真．外电路断开时，ab两点间电压Uab即等效电动势E，此时电源与电压表构成回路，故UabE真，即E测E真，测量值实际上是等效电源的电动势E′和内阻r′.当把等效电源外电路短路时，电压表不再分流，短路电流等于通过电池的实际电流，所以两图线相交于相同的短路电流处(乙图中的B点)．2．电流表相对于待测电阻(电源内阻)内接由于电流表的分压作用，使得电压表的读数比电源的路端电压小，电流表测得的电流等于流过电源的电流，所以在流过电流相同的情况下，U测U真，依照分析可绘制出图丁图线，可以从图线的意义得E测＝E真，r测r真．对此也可由电路来解释，若把图丙中的RA看成内电阻的一部分，故实测出的是电池和电流表这个整体的等效电动势E′和内阻r′，r测＝r′＝r真＋RAr真，由电动势等于外电路断路时的路端电压可知，把电路从A、B处断开，E测＝UAB＝E真，所以两图线交于纵轴上的同一点，即电池的电动势处．综合上述，任一种电路都存在系统误差，若电源内阻较小时，不能采用图丙中的测量电路，尽管电动势的测量值准确，但内阻的测量误差很大，因此要选用图甲中的测量电路，另外实验还有因电压表、电流表的读数以及作U­I图线时描点不准确造成的偶然误差．四、注意事项1．为使电池的路端电压有明显变化，应选取内阻较大的旧干电池和内阻较大的电压表，为使路端电压有明显的变化也可以串联一较小的定值电阻，把其视为电源内阻的一部分，求出电源的等效内阻后，减去定值电阻的阻值，即为电源的内阻．2．实验中不能将电流调得过大，且读数要快，读完后立即切断电源，防止干电池大电流放电时内阻r的明显变化．3．当干电池的路端电压变化不很明显时，作图像时，纵轴单位可取得小一些，且纵轴起点可不从零开始．如图所示，此时图线与纵轴交点仍为电池的电动势E，但图线与横轴交点不再是短路电流，内阻要在直线上取较远的两点用r＝|ΔUΔΙ|求出．4．为了提高测量的精确度，在实验中I、U的变化范围要大一些，计算E、r时，U1和U2、I1和I2的差值要大一些．类型一仪器选择和电路连接[例1]测量电源的电动势及内阻的实验电路如图甲所示．图乙中给出的器材有：待测的电源(电动势约为4V，内阻约为2Ω)，电压表(内阻很大，有5V、15V两个量程)，电流表(内阻不计，有0.1A、1A两个量程)，滑动变阻器(阻值范围0～10Ω)，开关，导线若干．试按照图甲中的电路在图乙中画出连线，将器材连接成实验电路(要求正确选择电表量程，以保证仪器的安全并使测量有尽可能高的精确度)．[解析]电源电动势大约为4V，所以电压表可确定用5V量程；电路中能接入的最大电阻为12Ω，最小电流为Imin＝ER＝412A≈0.33A，由此确定电流表选用1A量程．电路连接如图所示．[答案]图见解析仪器选择的基本思路(1)优先考虑安全因素：各电表的实际读数不能超过其量程，电阻类元件中的实际电流(或电压)不能超过其允许的最大电流(或电压)．(2)考虑读数误差因素：一般要求各电表的实际读数不小于其量程的13，以减小读数误差．(3)仪器选择的一般步骤：①首先选择唯一性的器材；②粗画电路图(暂不接电流表和电压表)；③估算回路中电流和电压的最大值，在电表的指针有较大幅度的偏转但不超过其量程的情况下，结合已知器材的规格，确定实验电路和实验器材．类型二实验设计与数据处理[例2]在“用电流表和电压表测定电池的电动势和内阻”的实验中．(1)备有如下器材：A．干电池1节B．滑动变阻器(0～20Ω)C．滑动变阻器(0～1kΩ)D．电压表(0～3V)E．电流表(0～0.6A)F．电流表(0～3A)G．开关、导线若干其中滑动变阻器应选________，电流表应选________．(只填器材前的序号)(2)为了最大限度地减小实验误差，请在虚线框中画出该实验最合理的电路图．(3)某同学根据实验数据画出的U­I图像如图所示，由图像可得电池的电动势为______V，内阻为______Ω.[解析](1)滑动变阻器的最大值一般为待测电阻的几倍时较好，在该实验中因电源内阻比较小，故滑动变阻器选择较小一点的即可，故滑动变阻器应选B.(也可以从便于调节的角度来分析，应该选择阻值较小的滑动变阻器．)电流表的量程要大于电源允许通过的电流，对于电池来讲允许通过的最大电流一般是0.5A，故需要选择0～0.6A，所以电流表应选E.(2)电路图如图所示．(3)由U­I图像可知：纵截距为1.50V，故电池的电动势为1.50V；内阻r＝ΔUΔI＝0.90－1.500.60－0Ω＝1.0Ω.[答案](1)BE(2)图见解析(3)1.501.0本实验用作图法处理实验数据时应使尽可能多的点落在直线上，个别偏离太远的点应舍去．类型三创新实验设计[例3]在测量电源的电动势和内阻的实验中，由于所用电压表(视为理想电压表)的量程较小，某同学设计了如图所示的实物电路．(1)实验时，应先将电阻箱的电阻调到________．(选填“最大值”“最小值”或“任意值”)(2)改变电阻箱的阻值R，分别测出R0两端的电压U.下列两组R的取值方案中，比较合理的是________．(选填“1”或“2”)方案编号电阻箱的阻值R/Ω1400.0350.0300.0250.0200.0280.070.060.050.040.0(3)根据实验数据描点，绘出的1U­R图像是一条直线．若直线的斜率为k，在1U坐标轴上的截距为b，则该电源的电动势E＝________，内阻r＝________．(用k、b和R0表示)[思路点拨]本题主要考查测量电源电动势和内阻的实验基础知识，意在考查实验方案设计和数据处理能力，特别是图像处理能力．[解析](1)实验中电阻箱起到改变电路的总电阻和分压作用，为了确保仪器的安全，一般将电阻箱的电阻先调到最大值．(2)由于定值电阻R0＝10Ω，若选用方案1，则电压表的示数较小，示数变化范围也很小，所以选用方案2.(3)由题意可得E＝UR0(R0＋R＋r)，变形为1U＝1ER0R＋R0＋rER0，故直线的斜率k＝1ER0，截距b＝R0＋rER0，解得E＝1kR0，r＝bk－R0.[答案](1)最大值(2)2(3)1kR0bk－R0本实验综合考查闭合电路欧姆定律知识，出题方式灵活，往往在教材实验基础上创设新情境．因此，要在夯实教材实验的基础上注重迁移创新能力的培养，善于用教材中实验的原理、方法和技巧处理新问题．