2019-2020学年高中物理 第4章 探究闭合电路欧姆定律 2 测量电源的电动势和内阻课件 沪科版

4.2测量电源的电动势和内阻第4章探究闭合电路欧姆定律1.了解测量电源的电动势和内阻的原理和实验电路.(重点)2.会用电压表和电流表正确连接电路.3.会用U－I图线处理实验数据，并根据图线测出电源的电动势和内阻.(重点)一、实验目的1.了解测量电源的电动势和内阻的方法.2.会用图像法求电动势和内阻的方法，了解路端电压U与干路电流I的关系图像(即U－I图像)与纵横坐标轴交点的意义以及图像斜率的意义.二、实验原理1.公式法：如图所示，由闭合电路的欧姆定律得E＝U＋Ir改变变阻器的阻值，从电流表、电压表中读出几组U和I值，组成方程组可求解E、r.2.图像法：利用U＝E－Ir建立U－I图像根据测得数据描点画图，利用图线截距、斜率的意义求E、r.三、实验器材被测电源(干电池)、电流表、电压表、滑动变阻器、电键和导线等.四、实验步骤1.确定电流表、电压表的量程，按实验原理图将如图所示电路器材连接好.2.把变阻器的滑片移到一端使阻值最大.3.闭合电键，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，用同样方法测量并记录几组I和U值.4.断开电键，整理好器材.5.数据处理：用原理中的方法计算或从U－I图像中找出E和r.实验数据的处理1.公式法利用依次记录的多组数据(一般6组)，分别记录如下表所示：实验序号123456I/AI1I2I3I4I5I6U外/VU1U2U3U4U5U6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，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找出E、rr＝ΔUΔI＝EIm.在用电压表和电流表测电池的电动势和内阻的实验中，所用电压表和电流表的内阻分别为1kΩ和0.1Ω，如图甲为实验原理图.(1)一位同学记录的6组数据见下表，试根据这些数据在图乙中画出U－I图像，根据图像读出电池的电动势E＝_________V，求出电池内阻r＝________Ω.I(A)0.120.200.310.320.500.570U(V)1.371.321.241.181.101.05(2)若不作出图线，只选用其中两组U和I的数据，用公式E＝U＋Ir列方程求E和r，这样做可能得出误差很大的结果，其中选用第__________组和第__________组的数据，求得E和r误差最大.[解析](1)根据U、I数据，在方格纸U－I坐标上找点描迹，如图所示，然后将直线延长，交U轴于U1＝1.46V，此即为电源电动势；交I轴于I＝0.65A，注意此时U2＝1.00V，由闭合电路欧姆定律得I＝E－U2r，则r＝E－U2I＝1.46－1.000.65Ω≈0.71Ω.(2)由图线可以看出第4组数据点偏离直线最远，若取第3组和第4组数据列方程组求E和r，相当于过图中3和4两点作一直线求E和r，而此直线与所画的直线偏离最大，所以选用第3组和第4组数据求得的E和r误差最大.[答案](1)1.460.71(2)34实验中的注意事项及误差分析1.注意事项(1)选用内阻适当大一些的电压表.(2)电流表要与变阻器串联在同一支路，即电压表直接测量电源的路端电压.(3)两表应选择合适的量程，使测量时偏转角大些，以减小读数时的相对误差.(4)尽量多测几组U、I数据(一般不少于6组)，且数据变化范围要大些.(5)作U－I图像时，让尽可能多的点落在直线上，不落在直线上的点均衡分布在直线两侧.2.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：系统误差来源于未计电压表分流，近似将电流表的示数看做干路电流.实际上电流表的示数比干路电流略小.如果由实验得到的数据作出图中实线a所示的图像，那么考虑到电压表的分流后，得到的U－I图像应是图中的虚线b，由此可见，按图所示的实验电路测出的电源电动势E测＜E真，电源内电阻r测＜r真.(3)分析：①外电路短路时，实验原理图所示的实验电路中，电流表的示数(即干路电流的测量值)I测近似等于干路电流的真实值，所以图中a、b两图线几乎交于短路电流处.②当路端电压(即电压表示数)为U1时，由于电流表示数I1测小于干路电流I1真，所以a、b两图线出现了图所示的差异.(多选)在测量电源的电动势和内电阻时，下列注意事项中正确的是()A．应选用旧的干电池作为被测电源，以使电压表示数的变化比较明显B．应选用内阻较小的电压表和电流表C．移动变阻器的触头时，不能使滑动变阻器短路，否则易烧坏电流表D．根据实验记录的数据作U－I图像时，应通过尽可能多的点画一条直线，并使不在直线上的点大致均匀分布在直线两侧[解析]旧的干电池内阻较大，电压变化明显，能减小实验误差，A正确；在实验中，为减小误差，应选用内阻较小的电流表和内阻较大的电压表，B错误；在C选项中，易烧坏电流表，C正确；在作图时，应使尽可能多的点落在直线上，不在直线上的点应大致均匀分布在直线两侧，D正确.[答案]ACD创新实验方案1.利用电流表和电阻箱进行测量实验原理：由E＝IR＋Ir可知，通过改变可变电阻R的阻值，即可读出电路中对应的两组电流值，然后，列方程组求出电源电动势和内阻.此法所用电路图如图所示.2.利用电压表和电阻箱进行测量实验原理：由E＝U＋URr可知，通过改变可变电阻R的阻值，即可读出电路中对应的两组路端电压值，然后，列方程组求出电源电动势和内阻.此法所用电路图如图所示.3.利用两只电压表进行测量实验原理：测量电路如图所示，断开S时，测得两电压表的示数分别为U1、U2，再闭合S，此时电压表V1的示数为U1′.然后列方程组求出电源电动势和内阻.4.利用两只电流表进行测量实验原理：通过改变可变电阻R1的阻值，即可读出电路中对应的两组电流值，一般这类问题有一个电流表电阻已知，列方程组求出电源电动势和内阻.此法所用电路图如图所示.在“测量电源的电动势和内电阻”的实验中，因找不到合适的电流表，某同学设计了如图所示的测量电路，图中器材规格如下：电源E(电动势约为3V，内阻未知)电压表V1(量程0～3V，内阻约为3kΩ)电压表V2(量程0～3V，内阻很大)滑动变阻器R(0～20Ω)定值电阻R0＝2Ω(1)请根据电路图在图中完成实物连线；(2)下表是该同学的实验数据表格，请根据表中数据在下面的坐标纸中作出U1－U2图线；U1/V2.792.682.572.442.362.27U2/V0.380.600.821.011.231.40(3)根据图线可求得电源电动势E＝__________V，内电阻r＝__________Ω.(结果保留3位有效数字)[解析](1)实物连线如图所示.(2)如图所示.(3)由闭合电路欧姆定律得E＝U1＋U2R0r，整理得：U1＝E－rR0U2，故在U1－U2图中，纵轴的截距表示电源电动势E＝2.98V，图线斜率的大小k与R0的乘积为r，即k＝rR0，故r＝kR0＝ΔU1ΔU2R0＝2.68－2.361.23－0.60×2Ω≈1.02Ω.[答案](1)、(2)见解析图(3)2.98(2.96～3.00均对)1.02(0.980～1.08均对)本题创新之处有两点：(1)用电压表和定值电阻代替电流表测电流，I＝U2R0.(2)画U1－U2图像求解电动势和内阻.