（新课标）2020年高考物理一轮总复习 实验十 测定电源的电动势和内阻课件

实验探究课实验十测定电源的电动势和内阻实验解读·核心探究实验热点·各个击破栏目导航随堂练·知能提升[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．[实验原理]1．如图甲所示，改变R的阻值，从电压表和电流表中读出几组I、U值，利用闭合电路的欧姆定律求出几组E、r值，最后分别算出它们的平均值．2．用图象法来处理数据，在坐标纸上以I为横坐标、U为纵坐标，用测出的几组I、U值画出U－I图象，如图乙所示，直线跟纵轴的交点的纵坐标表示电源电动势E的值，图线的斜率的绝对值即内阻r的值．[实验器材]电池、电压表、电流表、滑动变阻器、开关、导线、坐标纸和刻度尺．[实验步骤]1．电流表用0.6A量程，电压表用3V量程，按实验原理图连接好电路．2．把变阻器的滑片移动到使阻值最大的一端．3．闭合开关，调节变阻器，使电流表有明显示数并记录一组数据(I1，U1)．用同样方法测量出六组I、U的值．填入表格中.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/A4.断开开关，拆除电路，整理好器材．[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．图象法：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，则直线与纵轴交点的纵坐标值即是电池电动势的大小(一次函数的纵轴截距)，直线的斜率绝对值即为电池的内阻r，即r＝ΔUΔI.[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)用图象法求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．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＝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而形成误差，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＝E测I短，所以r测r真．从电路的角度看，电压表应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，此时电源与电压表构成回路，所以UabE真，即E测E真．(2)若采用如图丙所示的电路，IA为电源电流真实值，理论上有E＝U＋UA＋IAr，其中UA不可知，而造成误差，而且电流表示数越大，UA越大，当电流为零时，UA＝0，电压为准确值，等于E.结论：①E为真实值；②I短测I短真；③因为r测＝EI短测，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．[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，在作图时应使图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．[实验改进]以上测量方法一般称为伏安法，还可以用两只电压表测量电源的电动势和内阻，电路如图所示．当开关S接1时，电压表V1(其内阻为R1)示数为U0，当开关S接2时，电压表V1、V2的示数为U1、U2，由欧姆定律得E＝U0＋U0R1r，E＝U1＋U2＋U1R1r，解得E＝U0U2U0－U1，r＝U1＋U2－U0R1U0－U1该测量方法与原测量方法相比：优点：无系统误差．缺点：(1)需提前知道V1的内阻．(2)无法多次测量．热点一伏安法测电源电动势和内阻[典例1]在测量电源电动势和内电阻的实验中，已知一节干电池的电动势约为1.5V，内阻约为0.30Ω；电压表V(量程为3V，内阻约3kΩ)；电流表A(量程为0.6A，内阻为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．(1)请在图甲方框中画出实验电路图．(1)请在图甲方框中画出实验电路图．(2)在实验中测得多组电压和电流值，得到如图乙所示的U－I图线，由图可得该电源电动势E＝V，内阻r＝Ω.(结果均保留两位有效数字)解析：(1)由于电流表内阻已知，应采用电流表外接法，电路图如图所示．(2)由图可知，图象的纵截距表示电源的电动势，故E＝1.5V，内阻为r＝1.5－1.00.5Ω－0.7Ω＝0.3Ω.答案：(1)图见解析(2)1.50.31．为了测量一节干电池的电动势和内阻，某同学采用了伏安法，现备有下列器材：A．被测干电池一节B．电流表A1，量程0～0.6A，内阻r＝0.3ΩC．电流表A2，量程0～0.6A，内阻约为0.1ΩD．电压表V1，量程0～3V，内阻未知E．电压表V2，量程0～15V，内阻未知F．滑动变阻器1,0～10Ω，2AG．滑动变阻器2,0～100Ω，1AH．开关、导线若干伏安法测电池电动势和内阻的实验中，由于电流表和电压表内阻的影响，测量结果存在系统误差；在现有器材的条件下，要尽可能准确地测量电池的电动势和内阻．(1)在上述器材中请选择适当的器材：(填写选项前的字母)；(2)实验电路图应选择下图中的(填“甲”或“乙”)；(3)根据实验中电流表和电压表的示数得到了如图丙所示的U－I图象，则干电池的电动势E＝V，内电阻r＝Ω.解析：(1)在上述器材中请选择适当的器材：被测干电池一节；电流表B的内阻是已知的，故选B，电压表选择量程0～3V的D，滑动变阻器选择阻值较小的F，开关、导线若干，故选ABDFH.(2)因电流表的内阻已知，故实验电路图应选择图甲．(3)根据实验中电流表和电压表的示数得到了如图丙所示的U－I图象，则干电池的电动势E＝1.5V，内电阻r＝1.5－1.00.5Ω－0.3Ω＝0.7Ω.答案：(1)ABDFH(2)甲(3)1.50.7热点二实验的拓展与创新(测定电源电动势和内阻的其他方法)以本实验为背景，通过改变实验条件、实验仪器设置题目，不脱离教材而又不拘泥教材，体现开放性、探究性、设计性等特点．．实验方法、方案的拓展实验电路安阻法伏阻法实验原理E＝I1(R1＋r)E＝I2(R2＋r)E＝I1I2R1－R2I2－I1r＝I1R1－I2R2I2－I1E＝U1＋U1R1rE＝U2＋U2R2rE＝U1U2R1－R2U2R1－U1R2r＝R1R2U1－U2U2R1－U1R2图象2.粗测法：用一只电压表粗测电动势，直接将电压表接在电源两端，所测值近似认为是电源电动势，此时U＝ERVRV＋r≈E，需满足RV≫r.[典例2]甲同学设计了如图甲所示的电路来测量电源电动势E及电阻R1和R2阻值．实验器材有：待测电源E(不计内阻)，待测电阻R1，待测电阻R2，电压表V(量程为1.5V，内阻很大)，电阻箱R(0～99.99Ω)，单刀单掷开关S1，单刀双掷开关S2，导线若干．(1)先测电阻R1的阻值．请将甲同学的操作补充完整：A．闭合S1，将S2切换到a，调节电阻箱，读出其示数R0和对应的电压表示数U1.B．保持电阻箱示数不变，，读出电压表的示数U2.C．则电阻R1的表达式为R1＝.(2)甲同学已经测得电阻R1＝4.80Ω，继续测电源电动势E和电阻R2的阻值．该同学的做法是：闭合S1，将S2切换到a，多次调节电阻箱，读出多组电阻箱示数R和对应的电压表示数U，由测得的数据，绘出了如图乙所示的1U－1R图线，则电源电动势E＝V，电阻R2＝Ω(保留三位有效数字)．解析：(1)保持电阻箱示数不变，将S2切换到b，由于R0和R1串联，所以通过R1的电流I＝U1R0，R1两端的电压为U2－U1，所以R1＝U2－U1I＝U2－U1U1R0.(2)根据闭合电路欧姆定律，E＝UR(4.8＋R2＋R)，所以1U＝1E·(4.8＋R2)1R＋1E，由此式看出，1U－1R图线的截距为1E＝0.7，斜率k＝1E·(4.8＋R2)＝2.8－0.70.5＝4.2，由此两式得，E＝1.43V，R2＝1.20Ω.答案：(1)将S2切换到bU2－U1U1R0(2)1.431.20[典例3]某研究性学习小组欲较准确地测量一电池组的电动势及其内阻，给定的器材如下：A．电流表G(满偏电流10mA，内阻10Ω)B．电流表A(0～0.6A～3A，内阻未知)C．滑动变阻器R0(0～100Ω，1A)D．定值电阻R(阻值990Ω)E．多用电表F．开关与导线若干(1)某同学首先用多用电表的直流10V挡粗略测量电池组的电动势，电表指针如图甲所示，则该电表读数为V.(2)该同学再用提供的其他实验器材，设计了如下图乙所示的电路，请你按照电路图在图丙上完成实物连线．(3)图丁为该同学根据上述设计的实验电路利用测出的数据绘出的I1－I2图线(I1为电流表G的示数，I2为电流表A的示数)，则由图线可以得到被测电池组的电动势E＝V，内阻r＝Ω.解析：(1)量程为10V，则最小分度为0.2，故读数为7.2V.(2)先将电流表及滑动变阻器串接在电源两端，再并联另一支路，电路中连线避免交叉．(3)电流表G和定值电阻R组成了一个量程为10V的电压表，由U＝E－Ir可得，图象与纵轴的交点为电源的电动势，由图可知，电动势E＝7.5V；图象的斜率表示电源的内阻，内阻r＝7－50.5－0.1Ω＝5.0Ω.答案：(1)7.2(2)图见解析(3)7.55.0[典例4]同学们知道，将两个金属电极插入任何一个水果中就可以做成一个水果电池，但日常生活中我们很少用“水果电池”，这是为什么呢？某学习小组的同学准备就此问题进行探究．(1)同学们通过查阅资料知道将锌、铜两电极插入水果中，电动势大约会有1V多一点．晓宇同学找来了一个土豆做实验，当用量程为0～3V、内阻约50kΩ的电压表测其两极时读数为0.96V．但当他将四个这样的水果电池串起来给标称值为“3V,0.5A”的小灯泡供电时，灯泡并不发光．检查灯泡、线路均没有故障，而用电压表测量其电压确实能达到3V多．据您猜想，出现这种现象的原因应当是：(不要求写分析、推导过程)．(2)晓宇同学用欧姆表直接测“土豆电池”的两极，读得此时的读数为30Ω.小丽同学用灵敏电流表直接接“土豆电池”的两极，测得电流为0.32mA，根据前面用电压表测得的0.96V电压，由闭合电路欧姆定律得：r＝EI＝0.960.32×10－3Ω＝3.0kΩ.因而晓宇同学说土豆的内阻为30Ω，而小丽同学则说是3kΩ.请你判断，用晓宇或小丽同学的方法测量“土豆电池”的内阻，结果是否准确，为什么？请分别说明理由.(3)若实验室除了导线和开关外，还有以下一些器材可供选择；A．电流表A1(量程为0～0.6A，内阻为1Ω)B．灵敏电流表A2(量程为0～0.6mA，内阻为800Ω)C．灵敏电流表A3(量程为0～300μA，内阻未知)D．滑动变阻器R1(最大阻值约10Ω)E．滑动变阻器R2(最大阻值约2kΩ)F．定值电阻(阻值2kΩ)G．变阻箱(0～9999Ω)①为了能尽可能准确测定“土豆电池”的电动势和内阻，实验中应选择的器材是(填器材前的字母代号)．②在方框中画出设计的电路图．解析：(1)“苹果电池”的内阻太大，接灯泡时