2019版高考物理总复习实验创新增分专题十测定电源的电动势和内阻学案20180517391.doc
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1、实验十测定电源的电动势和内阻一、实验目的1进一步理解闭合电路欧姆定律,掌握用电压表和电流表测量电源电动势和内阻的方法。2掌握用图象法求电动势和内阻的方法;理解并掌握路端电压U与干路电流I的关系图象(即UI图象)与纵、横坐标轴交点坐标的意义以及图象斜率的意义。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1所示。3E和r的求解(1)由UEIr,得,解得。(2)作图法处理数据:由UEIr,得:图象与纵轴交点的纵坐标值为E,图线斜率绝对值为r。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、刻度尺、铅笔等。四、实验步骤1连接电路电流表用0.6 A量程,电压表
2、用3 V量程,按图1连接好电路。2测量与记录(1)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。(2)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。第1组第2组第3组第4组第5组第6组U/VI/A(3)断开开关、拆除电路、整理器材。五、数据处理本实验中数据的处理方法有两种,一是联立方程求解的公式法,二是描点作图法。1公式法:取六组对应的U、I数据,数据满足关系式U1EI1r、U2EI2r、U3EI3r、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的值,取其平均值作为电池的电动
3、势E和内阻r的大小。2作图法:以路端电压U为纵轴、干路电流I为横轴建立UI坐标系,如图2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地分布在直线两侧,则直线与纵轴交点的纵坐标即是电池电动势E的大小(一次函数的纵轴截距),直线的斜率大小即为电池的内阻r。六、误差分析1图象法分析两种常见电路图的误差(1)当采用如图甲所示的电路测量时,在理论上EU(IVIA)r,其中电压表示数U是准确的电源两端电压,反映到UI图象上,当电压值为真实值时,所测电流小于真实的电流,导致图线在U轴上的截距偏小(如图乙中带箭头线段IV为差值),而且电压表示数越大,IV
4、越大。从图乙可以得到:当电压表示数为零时,IV0,IAI短,短路电流测量值等于真实值;E测E真;因为r测,所以r测r真。(2)如采用如图丙所示的接法,IA为电源电流真实值,理论上有EUUAIAr,反映到UI图象上,当电流值为真实值时,所测电压小于真实电压,导致图线在I轴上截距偏小(如图丁中带箭头线段UA为差值),而且电流表示数越大,UA越大,当电流表示数为零时,UA0,电压表示数为准确值,等于E。从图丁可以得到:电流为零时,E为真实值;I短测r真,r测实际是r和RA的串联值。这时,r测的值误差非常大。2电表读数带来误差。3如果将六组数据按先后顺序两两依次组成方程组,由于两组数据相邻,变化较小,
5、计算(或测量)误差较大。为此,应使前后数据交叉组成方程组。4用图象法求电动势和内阻时,作图不准确造成误差。5根据图象进行分析计算时造成误差。七、注意事项1为了使电池的路端电压变化明显,应选内阻大些的电池(选用已使用过一段时间的干电池)。2.在实验中不要将I调得过大,每次读完U和I的数据后应立即断开电源,以免干电池在大电流放电时极化现象严重,使得E和r明显变化。3.要测出不少于6组的(I、U)数据,且变化范围要大些。4.画UI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)。但这时图线与横轴的交点不再是短路电流,而图线与纵轴的交点仍为电源电动势,图线斜
6、率的绝对值仍为内阻。考点1基础实验例1(2015江苏高考)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。(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的方格纸上作出UI图线。由图线求得:电动势E_V;内阻r_。(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_。解析(1)由图可知,电流表的量程为0.6 A,精度为0.02 A,因此电流表的示数为0.02 A22
7、0.44 A。(2)作出UI图线如答图所示,由图象与纵轴的截距得电动势为1.60 V,斜率即内阻为r 1.22 。(3)如果一直保持电路闭合,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。答案(1)0.44(2)UI图线如图所示1.60(1.581.62均正确)1.22(1.181.26均正确)(3)干电池长时间使用后,电动势和内阻会发生变化,导致实验误差增大注意UI图象的U坐标轴一般不是从零刻度开始,这样内阻r只能用r计算,不能由r计算。物理兴趣小组的同学用如下器材测定一节干电池的电动势和内阻:直流电流表(量程00.6 A,03 A;内阻约1 )直流电压表(量程03 V,01
8、5 V;内阻约5 k)定值电阻R0(阻值近似为8 )滑动变阻器R(010 ,2 A)电源(电动势约为1.5 V,内阻约为4 )开关和若干导线有两个小组的同学分别设计了如图所示的两个实验方案,然后这两个小组的同学按正确的实验步骤进行了实验。分析下列问题:(1)如果某小组的同学选用实验方案二,则请按方案二将下列实物图连接起来。(2)实验后两个小组的同学将他们的实验数据作在同一个UI坐标中,得到了如图所示的两条伏安特性曲线。通过分析可知图中所示的伏安特性曲线中,甲图线是利用方案_实验得到的图象,乙图线是利用方案_(均填“一”或“二”)实验得到的图象。(3)图中两图线在纵轴上的截距相同,由图可知,被测
9、电源的电动势E_V,电源的内阻r_。(4)本实验中提供的定值电阻的阻值R0_。答案(1)如图所示(2)二一(3)1.503.98(4)8.30解析(1)所连实物图如答图所示。(2)在方案二中将R0等效为电源的内阻,由此该方案所测得的电源内阻将变大,所以图中甲图线是由方案二实验数据得到的,图线乙是由方案一实验数据得到的。(3)对于方案一,可将R0看成是滑动变阻器的一部分,由图象求得电源的电动势为E1.50 V。由图象乙可求得电源的内阻为r 3.98 。(4)对于方案二,由闭合电路的欧姆定律得EUI(rR0),可见R0可等效为电源的内阻,可见在UI图象中图象在纵坐标上的截距表示电源的电动势,图象的
10、斜率表示是“电源内阻与R0之和”,由图象甲可得:rR0 12.28 ,可得R012.28 3.98 8.30 。考点2创新实验一、实验方法的创新1用一个电流表和电阻箱测量电路图如图甲所示。测量原理为:用电流表测量干路中的电流,通过改变电路中的电阻,测出两组R、I数据,则有EI1R1I1r,EI2R2I2r,由此可求出E和r。此种方法测得的电源电动势无偏差,但内阻偏大。2用一个电压表和电阻箱测量 电路图如图乙所示。测量原理为:用电压表测量路端电压,通过改变电路中的电阻,测出两组U、R数据,则有EU1r,EU2r,由此可求出E和r。此种方法测得的电源电动势和内阻均偏小。二、数据处理的创新利用各种图
11、象进行数据的处理从而得到E、r,常见的R、I1I2 图象等。例2(2017天津和平区一模)某同学设计了如图甲所示的电路测电源电动势E及电阻R1和R2的阻值,实验器材有:待测电源E(不计内阻),待测定值电阻R1、R2,电流表A(量程为00.6 A,内阻不计),电阻箱R(099.99 ),单刀单掷开关S1,单刀双掷开关S2及导线若干。(1)先测定值电阻R1的阻值(R1只有几欧姆),请将该同学的操作补充完整:闭合开关S1,将开关S2切换到a,调节电阻箱,读出其示数r1和对应的电流表示数I;将开关S2切换到b,调节电阻箱,使_,读出此时电阻箱的示数r2,则电阻R1阻值的表达式为R1_。(2)该同学已经
12、测得定值电阻R12.0 ,继续测电源电动势E和R2的阻值,该同学的做法是:闭合开关S1,将开关S2切换到b,多次调节电阻箱,读出多组电阻箱示数R和对应的电流表示数I,根据测得的数据,绘出了如图乙所示的R图线,则电源电动势E_V,电阻R2_。(3)若实际电流表A的内阻不可忽略,则R2的测量值_(填“大于”或“小于”)真实值。解析(1)将S2切换到b,调节电阻箱,使电流表的示数不变,则R1r1r2。(2)由闭合电路欧姆定律得EI(RR2R1),解得R,由R图线得,斜率k V1 V1,纵轴截距b2.0 A1,则k,b,解得E1.5 V,R21.0 。(3)若实际电流表A的内阻不可忽略,由闭合电路欧姆
13、定律得,EI(RR2R1RA),解得R,则R2EbR1RA,故R2的测量值大于真实值。答案(1)电流表的示数不变r1r2(2)1.51.0(3)大于用图象法解决问题,关键是根据题意写出函数关系,并根据图象整理关系式,从而找出斜率或者截距的物理意义,最后求出E、r及相关的物理量。图甲为某同学测量一节干电池电动势和内阻的电路图,其中虚线框内为用毫安表改装成双量程电压表的电路,请完成下列填空和作图。(1)毫安表的内阻为150 ,满偏电流为3 mA;R1和R2为定值电阻,其中R1850 ,若使用a和b接线柱,电压表量程为15 V;若使用a和c接线柱,电压表的量程为_V;R2_。(2)两个电流表:A1(
14、量程0.6 A,内阻约0.2 ),A2(量程3 A,内阻约0.05 );两个滑动变阻器,最大阻值分别为10 和500 ,则应选电流表_(填“A1”或“A2”),应选最大阻值为_的滑动变阻器。(3)实验主要步骤如下:开关S2拨向c,将滑动变阻器R的滑片移到最_(填“左”或“右”)端,闭合开关S1;多次调节滑动变阻器的滑片,记下相应的电流表的示数I1和毫安表的示数I2;根据图乙坐标系中已描的点画出I2I1图象;由图象得电源的电动势E_V,内阻r_。(结果均保留三位有效数字)答案(1)3 4000 (2)A1 10 (3)左 图见解析 1.481.50均正确 0.810.85均正确解析(1)接a和b
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