（课标通用版）2020版高考物理总复习 第八章 06 实验十 测定电源的电动势和内阻课件

实验十测定电源的电动势和内阻一实验目的二实验原理三实验器材基础过关四实验步骤五数据处理六注意事项七误差分析考点一实验原理和实验操作考点二实验数据处理和误差分析考点三实验拓展和实验创新考点突破基础过关一、实验目的1.测定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、实验原理1.实验依据:闭合电路欧姆定律。2.E和r的求解:由U=E-Ir得 解得 1122UEIrUEIr1221122112IUIUEIIUUrII3.用作图法处理数据,如图所示。 (1)图线在纵轴上的截距为E;(2)图线在横轴的截距为I短= ;(3)图线的斜率的绝对值表示r= 。ErUI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、坐标纸和刻度尺等。四、实验步骤1.电流表用0~0.6A量程,电压表用0~3V量程,按实验原理图连接好电路。2.把滑动变阻器的滑片移动到使其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)。用同样的方法测量出几组I、U的值,填入表格中。4.断开开关,拆除电路,整理好器材。组数物理量第1组第2组第3组第4组第5组第6组U/VI/A五、数据处理1.公式法:联立六组对应的U、I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,取其平均值作为电池的电动势E和内阻r。2.图像法:在坐标纸上以路端电压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(I,U)值所对应的点,然后尽量多地通过这些点作一条直线,不在直线上的点大致均匀分布在直线两侧,个别偏离直线较远的点可舍去,则直线与纵轴交点的纵坐标值即电池电动势的大小(一次函数的纵轴截距),图线斜率的绝对值即电池的内阻r,即r= 。UI六、注意事项1.为了使电池的路端电压变化明显,电池的内阻宜大些(选用已使用过一段时间的干电池)。2.在实验时,电流不能过大,通电时间不能太长,以免对E与r产生较大影响。3.要测出不少于6组的(I,U)数据,且变化范围要大些,然后用方程组求解,并求平均值。4.画U-I图线时,由于读数的偶然误差,描出的点不在一条直线上,在作图时应使直线通过尽可能多的点,并使不在直线上的点均匀分布在直线的两侧,个别偏离直线太远的点可舍去。这样就可使偶然误差得到部分抵消,从而提高精确度。5.由于干电池的内阻较小,路端电压U的变化也较小,这时画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),但这时图线在横轴的截距不再是短路电流,而在纵轴的截距仍为电源电动势,图线斜率的绝对值仍为电源的内阻。七、误差分析1.偶然误差(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)测量过程中通电时间过长或电流过大,都会引起E、r变化造成误差。2.系统误差由于电压表和电流表内阻影响而导致的误差。(1)如图甲所示,在理论上E真=U+(IV+IA)r,其中电压表示数U是准确的电源两端电压,而实验中忽略了通过电压表的电流IV而造成误差,而且电压表示数越大,IV越大。 结论:①当电压表示数为零时,IV=0,IA=I短,短路电流测量值=真实值;②E测E真;③因为r测= ,所以r测r真。从电路的角度看,电压表看成内电路的一部分,故实际测出的是电池和电压表这一整体的等效内阻和电动势(r测和E测),如图乙所示,因为电压表和电池并联,所以r测小于电池内阻r真;因为外电阻R断开时,a、b两点间电压Uab等于电动势E测,此时电池与电压表构成回路,所以UabE真,即E测E真。(2)若采用如图丙所示的电路,I为电源电流真实值,理论上有E真=U+UA+Ir真,其中UA不可知而造成误差,而且电流表示数越大,UA越大,当电流为EI测短零时,UA=0,电压为准确值,等于E真。结论:①E测=E真;②I短测I短真;③因为r测= ,所以r测r真,r测为r真和RA的串联值,由于通常情况下电池的内阻较小,所以这时r测的测量误差非常大。EI测短测考点一实验原理和实验操作例1(2018重庆一中月考)某课外活动小组自制了西红柿电池组,现在要测量该西红柿电池组的电动势和内阻(电动势约2V,内阻一千多欧姆),实验室现有如下器材:多用电表:欧姆挡(×1,×10,×100,×1k);直流电流挡(0~0.5mA,0~1mA,0~10mA,0~100mA);直流电压挡(0~0.5V,0~2.5V,0~10V,0~50V,0~250V,0~500V)考点突破电压表(0~3V,0~15V)电流表(0~0.6A,0~3A)滑动变阻器:R1(10Ω),R2(2000Ω)开关及导线(1)该小组同学先用多用电表直流电压“0~2.5V”挡粗测了西红柿电池组的电动势,指针稳定时如图1所示,其示数为V。(2)为了用伏安法更精确地测量西红柿电池组的电动势和电阻,应选测电压,选测电流(填电表名称和所选量程),滑动变阻器应选(填电阻符号)。图1图2(3)请设计方案,在图2上进行实物连接。答案(1)1.60(2)电压表(0~3V)多用电表直流电流挡(0~1mA)R2(3)图见解析解析(1)选用多用电表直流电压“0~2.5V”挡时,每小格代表的电压为0.05V,应估读到0.01V,所以多用电表的读数为U=1.50V+0.10V=1.60V。(2)根据电源电动势约为1.60V可知,应选电压表的0~3V量程测电压;根据闭合电路欧姆定律可求出通过电源的最大电流小于2mA,所以应选多用电表直流电流挡“0~1mA”测电流;滑动变阻器应采用限流式接法,应选择与待测电源内阻接近的滑动变阻器R2。(3)根据题意可知滑动变阻器应采用限流式接法;由于电源内阻较大,所以相对电源来说电流表应采用内接法,实物连线图如图所示。 变式1[2017天津理综,9(3)]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。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,作出图像如图。由I1-I2图像得到电池的电动势E=V,内阻r=Ω。答案①aa‘bb’②1.4(1.36~1.44均可)0.5(0.4~0.6均可)解析①用多用电表的电压挡测Uab'≠0,说明两表笔与电源两极间为通路,问题出在a、b'之间的含有电键的电路部分;若Uaa'≠0,说明aa'导线断路,若Uaa'=0,说明导线bb'断开。②由于I2≫I1,故可将I2视为干路电流,则有I1(R1+r1)=E-I2(r+R0)则I1= - ·I2,故从图线的截距和斜率可求得E=1.4V,r=0.5Ω。11ERr011rRRr在选择实验电路时,也可根据内接法和外接法的选择原则去选择,只是现在的待测电阻是电源的内阻,如果电源内阻很小,就用相对于电源的电流表外接法;如果电源内阻很大,就用相对于电源的电流表内接法。滑动变阻器要采用限流式接法,要想调节方便,还能大范围调节,需要滑动变阻器的最大电阻比电源内阻大几倍即可。方法总结例2小明利用如图1所示的实验装置测量一干电池的电动势和内阻。 图1考点二实验数据处理和误差分析(1)图1中电流表的示数为A。(2)调节滑动变阻器,电压表和电流表的示数记录如下:U(V)1.451.361.271.161.06I(A)0.120.200.280.360.44请根据表中的数据,在图2中作出U-I图线。 图2由图线求得:电动势E=V;内阻r=Ω。(3)实验时,小明进行了多次测量,花费了较长时间,测量期间一直保持电路闭合。其实,从实验误差考虑,这样的操作不妥,因为。答案(1)0.44(2)U-I图线如图1.60(1.58~1.62都算对)1.2(1.18~1.26都算对)(3)干电池长时间使用后,电动势和内阻会发生变化,导致实验误差增大解析(1)电流表所用量程为0~0.6A,其分度值为0.02A,其示数为0.4A+2×0.02A=0.44A。(2)U-I图线见答案。因U=E-Ir,故由U-I图线可得,电动势E=1.6V,内阻r= = Ω=1.2Ω。(3)见答案。UI1.61.00.5变式2(2018贵州八校联考)小明在做测量电源电动势和内阻的实验,已知干电池的电动势约为1.5V,内阻约为0.3Ω;电压表V(0~3V,内阻约为3kΩ);电流表A(0~0.6A,内阻为0.80Ω);滑动变阻器R(最大阻值10Ω)。(1)为了更准确地测出电源电动势和内阻。请在给出的虚线框中画出实验电路图。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,由图可得出该电源电动势E=V,内阻r=Ω。(结果保留两位小数) (2)请结合你设计的电路图和U-I图线对实验结果进行误差分析。答案(1)图见解析1.500.20(2)见解析解析(1)因电流表的内阻是已知的,故可采用相对电源电流表内接电路,电路图如图所示。由题图可知E=1.50V,r= -rA= Ω-0.80Ω=0.20Ω。UI1.501.000.50(2)根据闭合电路欧姆定律可得U1+I1(r+rA)=U2+I2(r+rA),而电流表的内阻rA为已知,所以本实验结果不存在电路图引起的系统误差;但在电压表、电流表读数,描点、连线及利用图像进行数据处理时会存在偶然误差。考点三实验拓展和实验创新创新角度实验装置\原理图创新解读实验原理的创新 1.电流表内阻已知可充当电压表使用。2.利用 -R图线求E和r实验器材的创新 1.通过灵敏电流计改装电流表。2.借鉴“研究匀变速直线运动”实验中计算加速度的方法(逐差法),计算出电池组的内阻实验过程的创新 1.实验过程中用多用电表的电压挡排除电路故障。2.利用I1-I2图像求解电池的电动势和内阻1I例3利用如图(a)所示电路,可以测量电源的电动势和内阻,所用的实验器材有: 图(a)待测电源,电阻箱R(最大阻值999.9Ω),电阻R0(阻值为3.0Ω),电阻R1(阻值为3.0Ω),电流表 (量程为0~200mA,内阻为RA=6.0Ω),开关S。实验步骤如下:①将电阻箱阻值调到最大,闭合开关S;②多次调节电阻箱,记下电流表的示数I和电阻箱相应的阻值R;③以 为纵坐标,R为横坐标,作 -R图线(用直线拟合);④求出直线的斜率k和在纵轴上的截距b。回答下列问题:(1)分别用E和r表示电源的电动势和内阻,则 与R的关系式为。1I1I1I(2)实验得到的部分数据如下表所示,其中电阻R=3.0Ω时电流表的示数如图(b)所示,读出数据,完成下表。答:①,②。R/Ω1.02.03.04.05.06.07.0I/A0.1430.125①0.1000.0910.0840.077I-1/A-16.998.00②10.011.011.913.0图(b)图(c)(3)在图(c)的坐标纸上将所缺数据点补充完整并作图,根据图线求得斜率k=A-1·Ω-1,截距b=A-1。(4)根据图线求得电源电动势E=V,内阻r=Ω。答案(1) = R+ [RA+ (r+R0)]或 = R+ (5.0+r)(2)①0.110②9.09(3)图见解析1.0(在0.96~1.04之间均对)6.0(在5.9~6.1之间均对)(4)3.0(在2.7~3.3之间均对)1.0(在0.6~1.4之间均对)解析(1)由闭合电路欧姆定律有E=IRA+(I+ )(R+R0+r),整理得 = R+ [RA+ (r+R0)],代