2019_2020学年高中物理第二章电路实验:测量电源的电动势和内阻学案粤教版选修3_.pdf
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1、实验:测量电源的电动势和内阻实验:测量电源的电动势和内阻 学科素养与目标要求 物理观念:知道测定电源的电动势和内阻的实验原理,即闭合电路的欧姆定律 科学探究 : 1.根据 “伏安法” 测定电池电动势和内阻的原理, 会选用实验器材、 正确连接电路、 规范实验操作.2.能进行分组、自主合作探究,并对信息进行数据处理 科学思维:1.会设计测定电池电动势和内阻的“伏安法”“伏阻法”“安阻法”的电路图.2. 体会图象法处理数据的优点,体会“化曲为直”的思想方法 一、测定电源电动势和内阻的实验方案设计 1伏安法 : 由EUIr知,只要测出U、I的两组数据,就可以列出两个关于E、r的方程, 从而解出E、r,
2、用到的器材有电池、开关、滑动变阻器、电压表、电流表,电路图如图 1 所 示 图 1 2.伏阻法 : 由EUr知,如果能得到U、R的两组数据,列出关于E、r的两个方程,就能 U R 解出E、r,用到的器材是电池、开关、电阻箱、电压表,电路图如图 2 所示 图 2 3.安阻法:由EIRIr知,只要能得到I、R的两组数据,列出关于E、r的两个方程,就 能解出E、r,用到的器材有电池、开关、电阻箱、电流表,电路图如图 3 所示 图 3 二、实验操作与实验数据的处理 1实验步骤(以伏安法为例) (1)电流表用 00.6A 量程,电压表用 03V 量程,按实验原理图连接好电路 (2)把滑动变阻器的滑片移到
3、一端,使其接入电路中的阻值最大 (3)闭合开关,调节滑动变阻器,使电流表有明显的示数,记录一组数据(I1、U1)用同样的 方法测量几组I、U值 (4)断开开关,整理好器材 (5)处理数据,用公式法或图象法这两种方法求出电池的电动势和内阻 2实验数据的处理 (1)公式法 依次记录的多组数据(一般 6 组)如表所示: 实验序号123456 I/AI1I2I3I4I5I6 U/VU1U2U3U4U5U6 分别将 1、4 组,2、5 组,3、6 组联立方程组解出E1、r1,E2、r2,E3、r3,求出它们的平均 值作为测量结果 E,r. E1E2E3 3 r1r2r3 3 (2)图象法 根据多次测出的
4、U、I值,作UI图象; 将图线两侧延长,纵轴截距的数值就是电池电动势E(横轴I从 0 开始); 横轴截距(路端电压U0)的数值就是短路电流 ; E r 图线斜率的绝对值等于电池的内阻r,即r,如图 4 所示 | U I| E I短 图 4 3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 (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出现明显变化 (3)当干电池的路端电压变化不很明显时,作图象时,纵轴单位可取得小一些,且纵轴起点可 不从零开始 如图 5 所示,此时图线与纵轴交点仍为电池的电动势E,但图线与
5、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|求出 U I 图 5 4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UI图象时描点不准确 (2)系统误差 : 主要原因是电压表的分流作用,使得电流表上读出的数值比流过电源的电流偏 小一些U越大,电流表的读数与总电流的偏差就越大,将测量结果与真实情况在UI坐标 系中表示出来,如图 6 所示,可见E测E真,r测r真. 图 6 一、伏安法测电动势和内阻 例 1 利用电流表和电压表测定一节干电池的电动势和内阻,要求尽量减小实验误差 图 7 (1)应该选择的实验电路是图 7 中的_(填“甲”或“乙”) (2)现有开关和导线若干,
6、以及以下器材: A电流表(00.6A) B电流表(03A) C电压表(015V) D电压表(03V) E滑动变阻器(010) F滑动变阻器(0500) 实 验 中 电 流 表 应 选 用 _; 电 压 表 应 选 用 _; 滑 动 变 阻 器 应 选 用 _(选填相应器材前的字母) 答案 (1)甲 (2)A D E 解析 (1)如果用乙电路, 误差来源于电流表的分压, 测量时将电流表内阻当成电源内阻的一 部分,而电流表内阻与电源内阻很接近,故电源内阻测量误差大,用甲电路,误差来源于电 压表的分流,因为电压表的内阻远大于滑动变阻器的电阻,故电压表分流很小,测量引起的 误差小,故选择甲电路图; (
7、2)电源电动势为 1.5V,因此电压表量程选择 3V,故选 D; 电流表应选 A; 为了使滑动变阻器 滑片滑动时电流表有明显偏转,需选用最大阻值小的滑动变阻器,故选 E. 选择仪器时注意掌握的原则 1.安全性原则,即一定要保证仪器的安全,对电表来讲不超量程,对滑动变阻器来讲不能超 其额定电流 2精确性原则,即要保证测量时读数精确,对电表来讲在不超量程的前提下,尽量选用小量 程的 3方便性原则,此原则主要针对滑动变阻器来讲,在滑动变阻器控制电路时,电路的电压、 电流的变化范围要尽可能大,以便获取多组测量值 例 2 在用电流表和电压表测电池的电动势和内阻的实验中,所用电流表和电压表的内阻分 别为
8、0.1 和 1k,如图 8 为实验原理图及所需器材图 图 8 (1)在图中用笔画线代替导线将器件按原理图连接成实验电路 (2)一位同学记录的 6 组数据见下表: I(A)0.120.200.310.320.500.57 U(V)1.371.321.241.181.101.05 试根据这些数据在图 9 中画出UI图象,根据图象读出电池的电动势E_V,求出电 池内阻r_.(结果保留两位小数) 图 9 答案 (1)见解析图 (2)见解析图 1.46(1.451.47 均可) 0.71(0.690.73 均可) 解析 (1)按照实验原理图将实物图连接起来,如图甲所示 (2)根据U、I数据,在UI坐标系
9、中找点描迹,如图乙所示,然后连线并将直线延长,交U 轴于U11.46V, 此即为电源电动势 ; 由闭合电路欧姆定律得r0.71. | U I| 1.371.05 0.570.12 学科素养 本题回顾了测定电池的电动势和内阻的实验原理,用图象法处理数据,这体现 了“物理观念”和“科学思维”的学科素养在实验过程中,学生之间需要合作、交流、处 理数据,体现了“实验探究”的学科素养在实验过程中保持很好地交流、合作,准确记录 数据,认真进行数据处理,这又体现了“科学态度与责任”的学科素养 二、伏阻法测电动势和内阻 1电路图:如图 10 所示 2实验原理:EUr U R 3数据处理: (1)计算法:由Er
10、ror!解方程组可求得E和r. (2)图象法:由EUr得: .故 图象的斜率k ,纵轴截距为 ,如图 11. U R 1 U 1 E r E 1 R 1 U 1 R r E 1 E 由图象的斜率和截距求解 图 10 图 11 例 3 (2018菏泽市高二上期末)要测量一电源的电动势E(小于 3V)和内阻r(约 1),现 有下列器材 : 理想电压表(3V 和 15V 两个量程)、 电阻箱R(0999.9)、 定值电阻R03、 开关和导线某同学根据所给器材设计如下的实验电路: 图 12 (1)电路中定值电阻R0的作用是_ (2)请根据图 12 甲电路,在图乙中用笔画线代替导线连接电路 (3)该同学
11、调节电阻箱阻值R,读出对应的电压表示数U,得到两组数据:R12 时,U1 2.37V,R24 时,U22.51V由这两组数据可求得电源的电动势E_V,内阻r _.(结果保留三位有效数字) 答案 (1)保护电源,防止短路 (2)见解析图 (3)2.94 1.21 解析 (1)若无R0存在,当R调节到 0 时,外电路短路,有烧坏电源的危险,故R0的作用是 保护电源,防止短路; (2)如图所示,注意电压表量程选择,开关置于干路; (3)根据闭合电路欧姆定律,得 当电阻箱读数为R12 时EU1r U1 R1R0 当电阻箱读数为R24 时EU2r U2 R2R0 联立以上两式得E2.94V,r1.21.
12、 三、安阻法测电动势和内阻 1电路图:如图 13 所示 图 13 2实验原理:EIRIr. 3数据处理: (1)计算法:由Error! 解方程组求得E,r. (2)图象法:由EI(Rr)得: R 1 I 1 E r E R图象的斜率k ,纵轴截距为 (如图 14 甲) 1 I 1 E r E 又RE r 1 I R 图象的斜率kE,纵轴截距为r(如图乙) 1 I 由图象的斜率和截距求解 图 14 例 4 一同学测量某干电池的电动势和内阻 (1)如图 15 所示是该同学正准备接入最后一根导线(图中虚线所示)时的实验电路请指出图 中在器材操作上存在的两个不妥之处_;_. 图 15 (2)实验测得的
13、电阻箱阻值R和理想电流表示数I,以及计算的 数据见下表: 1 I R/8.07.06.05.04.0 I/A0.150.170.190.220.26 /A1 1 I 6.75.95.34.53.8 根据表中数据,在图 16 中的方格纸上作出R 关系图象 1 I 图 16 由图象可计算出该干电池的电动势为_V(结果保留三位有效数字);内阻为 _(结果保留两位有效数字) 答案 (1)开关未断开 电阻箱阻值为零 (2)见解析图 1.36(1.301.39 均可) 1.2(1.01.4 均可) 解析 (1)在电学实验中, 连接电路时应将开关断开, 电阻箱的阻值调为最大, 确保实验仪器、 仪表的安全 (
14、2)根据闭合电路欧姆定律EI(Rr) 得R rE r, E I 1 I 即R 图象为直线 1 I 描点连线后图象如图所示 根据图象可知r1.2. 图象的斜率为电动势E, 在R 图象上取两点(2,1.60)、(6.7,8.0) 1 I 则EV1.36V. 8.01.60 6.72 1 (伏安法)(2018宜兴市高二期中)如图 17(a)是 “测定电源的电动势和内阻” 的实验电路, 如果采用一节新干电池进行实验, 实验时会发现, 当滑动变阻器在阻值较大的范围内调节时, 电压表读数变化很小,为了较精确地测量该新干电池的内阻,加接一定值电阻,实验电路原 理图如图(b)可用以下给定的器材和一些导线来完成
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