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- 2021-05-25 发布
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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。
3.E和r的求解
(1)由U=E-Ir,得,
解得。
(2)作图法处理数据:由U=E-Ir,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/V
I/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的值,取其平均值作为电池的电动势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E=U+(IV+IA)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越大。
从图乙可以得到:
①当电压表示数为零时,IV=0,IA=I短,短路电流测量值等于真实值;
②E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,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)
1.45
1.36
1.27
1.16
1.06
I(A)
0.12
0.20
0.28
0.36
0.44
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=______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________________________。
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 A×22=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= Ω≈1.22 Ω。
(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(1.58~1.62均正确) 1.22(1.18~1.26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0~0.6 A,0~3 A;内阻约1 Ω)
直流电压表(量程0~3 V,0~15 V;内阻约5 kΩ)
定值电阻R0(阻值近似为8 Ω)
滑动变阻器R(0~10 Ω,2 A)
电源(电动势约为1.5 V,内阻约为4 Ω)
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,被测电源的电动势E=________V,电源的内阻r=________Ω。
(4)本实验中提供的定值电阻的阻值R0=________Ω。
答案 (1)如图所示
(2)二 一 (3)1.50 3.98 (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E=1.50 V。
由图象乙可求得电源的内阻为r== Ω≈3.98 Ω。
(4)对于方案二,由闭合电路的欧姆定律得E=U+I(r+R0),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,图象的斜率表示是“电源内阻与R0之和”,由图象甲可得:r+R0== Ω≈12.28 Ω,可得R0=12.28 Ω-3.98 Ω=8.30 Ω。
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E=I1R1+I1r,E=I2R2+I2r,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E=U1+r,E=U2+r,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0~0.6 A,内阻不计),电阻箱R(0~99.99 Ω),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)该同学已经测得定值电阻R1=2.0 Ω,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=________Ω。
(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R1=r1-r2。
(2)由闭合电路欧姆定律得E=I(R+R2+R1),解得=R+,由R图线得,斜率k= V-1= V-1,纵轴截距b=2.0 A-1,则=k,=b,解得E=1.5 V,R2=1.0 Ω。
(3)若实际电流表A的内阻不可忽略,由闭合电路欧姆定律得,E=I(R+R2+R1+RA),解得=R+,则R2=Eb-R1-RA,故R2的测量值大于真实值。
答案 (1)电流表的示数不变 r1-r2 (2)1.5 1.0
(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 Ω,满偏电流为3 mA;R1和R2为定值电阻,其中R1=850 Ω,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=________Ω。
(2)两个电流表:A1(量程0.6 A,内阻约0.2 Ω),A2(量程3 A,内阻约0.05 Ω);两个滑动变阻器,最大阻值分别为10 Ω和500 Ω,则应选电流表________(填“A1”或“A2”),应选最大阻值为________Ω的滑动变阻器。
(3)实验主要步骤如下:
①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;
②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;
③根据图乙坐标系中已描的点画出I2I1图象;
④由图象得电源的电动势E=______V,内阻r=______Ω。(结果均保留三位有效数字)
答案 (1)3 4000 (2)A1 10
(3)①左 ③图见解析 ④1.48~1.50均正确 0.81~0.85均正确
解析 (1)接a和b时,U1=Ig(Rg+R1+R2),接a和c时,U2=Ig(Rg+R1),代入数据解得U2=3 V,R2=4000 Ω。
(2)由于电源是一节干电池,电路中的电流不会超0.6 A,所以电流表选A1;估算电路中的电阻由R== Ω=2.5 Ω,故滑动变阻器选10 Ω。
(3)①由于滑动变阻器采用限流接法,所以移到最左端;③作图如图所示;④由E=I1r+I2(Rg+R1),解得I2=-I1+,所以斜率大小k=,截距b=,由图象可得k=≈8.3×10-4;b=1.49×10-3 A,代入数据解得E=1.49 V,r=0.83 Ω。
1.(2017·江西重点中学联考)利用如图甲所示电路,可用伏安法测定某一电源的电动势和内阻,其中虚线框为用灵敏电流计G改装的电压表V,A为标准电流表,E1为待测电源,S为开关,R为滑动变阻器。
(1)已知灵敏电流计G的满偏电流Ig=200 μA,按图乙所示电路,用半偏法测定灵敏电流计G的内阻rg,其中电阻R4约为1 kΩ。为使测量值尽量准确,在以下器材中,电源E2应选用________,电阻R3应选用________,电阻R2应选用________。(填器材前的字母)
A.电源(电动势1.5 V)
B.电源(电动势6 V)
C.电阻箱(0~999.9 Ω)
D.滑动变阻器(0~500 Ω)
E.电位器(一种可变电阻,与滑动变阻器相当)(0~5.1 kΩ)
F.电位器(一种可变电阻,与滑动变阻器相当)(0~51 kΩ)
(2)如果所得R3的阻值为300 Ω,则图中被测电流计G的内阻的测量值为________Ω,该测量值________实际值(填“大于”“小于”或“等于”)。
(3)给灵敏电流计G串联一个阻值为________kΩ的电阻就可以将该电流计G改装为量程6 V的电压表。
(4)由(2)确定灵敏电流计的内阻测量值与实际值差异后,将其改装成另一电压表V(甲图虚线框所示)接入甲图电路进而完成甲图实验测量时,电压表V测量值______实际值;电源E1电动势测量值______实际值。(均填“大于”“小于”或“等于”)
答案 (1)B C F (2)300 小于 (3)29.7
(4)小于 小于
解析 (1)半偏法测电阻要求保持干路电流几乎不变,因此为了减小实验误差,R2应选阻值大的F,电源应选电动势大的B;由实验原理知灵敏电流计的内阻 rg=R3,故电阻R3应选电阻箱C。
(2)灵敏电流计的内阻rg=R3=300 Ω。闭合开关S2,保持R2不变,调节R3的阻值,电流计的指针半偏时,电路中的总电阻减小,干路电流增大,由并联电路的电流关系知,通过R3的电流大于满偏电流的一半,由欧姆定律知,R3小于Rg,故测量值小于实际值。
(3)由欧姆定律得,灵敏电流计G串联电阻阻值R1=-Rg=-300 Ω=29.7 kΩ。
(4)灵敏电流计的内阻测量值小于实际值,改装后电压表V的实际内阻大于理论值,故电压表V的测量值小于实际值;由E=U-Ir知,UI图象中,图象在纵轴的截距表示电源电动势,所以电源电动势的测量值小于实际值。
2.某同学设想运用如图甲所示的实验电路,测量未知电阻Rx的阻值、电流表A的内阻和电源(内阻忽略不计)的电动势,实验过程
中电流表的读数始终符合实验要求。
(1)为了测量未知电阻Rx的阻值,他在闭合开关之前应该将两个电阻箱的阻值调至________(填“最大”或“最小”),然后闭合开关K1,将开关K2拨至1位置,调节R2使电流表A有明显读数I0;接着将开关K2拨至2位置,保持R2不变,调节R1,当调节R1=34.2 Ω时,电流表A读数仍为I0,则该未知电阻的阻值Rx=________Ω。
(2)为了测量电流表A的内阻RA和电源(内阻忽略不计)的电动势E,他将R1的阻值调到R1=1.5 Ω,R2调到最大,将开关K2拨至2位置,闭合开关K1;然后多次调节R2,并在表格中记录下了各次R2的阻值和对应电流表A的读数I;最后根据记录的数据,他画出了如图乙所示的图象,根据你所学知识和题中所给字母写出该图象对应的函数表达式为:__________________;利用图象中的数据可求得,电流表A的内阻RA=________Ω,电源(内阻忽略不计)的电动势E=________V。
答案 (1)最大 34.2 (2)=+ 0.5 4
解析 (1)为了保护电路,需要将电阻箱的阻值都调至最大。因为两种情况下电流表示数相同,Rx和R1等效,所以Rx=R1=34.2 Ω。
(2)根据闭合电路欧姆定律得:E=I(R1+R2+RA),解得=R2+,故R2图象的斜率为,则纵截距为,代入数据可得:=
,=0.5,解得E=4 V,RA=0.5 Ω。
3.某研究小组同学要测量一个未知电源的电动势E及内阻r。手边的实验器材有:待测电源(电动势E约为4 V,内阻r约为0.8 Ω),电压表V(量程为1 V,内阻RV约为1 kΩ),滑动变阻器R1(0~10.0 Ω),滑动变阻器R2(0~100.0 Ω),电阻箱R3(0~99.99 Ω),电阻箱R4(0~2.999 kΩ),定值电阻R0(阻值为10 Ω),开关S,导线若干。
(1)由于电压表V的量程太小,需将电压表量程扩大为3 V,则应测量此电压表的内阻RV,该小组同学依据图甲电路进行测量,步骤如下:
①S断开,使滑动变阻器的滑动片P处于最左端a,并将电阻箱的阻值调为零;
②闭合S,将滑动变阻器的滑动片P由左端缓慢向右滑动,当电压表的读数为满偏值时,滑动片P停止滑动;
③保持滑动变阻器的滑动片P位置不变,调节电阻箱的阻值使电压表的读数为满偏值的一半时,记下电阻箱的阻值Ra=995 Ω。
该实验中电阻箱应选用________,滑动变阻器应选用________。(填入器材所对应的符号)
从以上步骤测得的数据可得,要改装成量程为3 V的电压表,该电压表应串联的分压电阻Rb=________Ω。
(2)研究小组的同学利用题给的电压表(表盘未改动)串联分压电阻Rb构成量程为3 V的电压表后,设计了图乙的电路测量电源电动
势E及内阻r。为了使电压表的读数随电阻箱的阻值改变而有较大的变化,在干路上连接了一个阻值为R0的定值电阻,实验过程中通过改变电阻箱的阻值R得到多组对应电压表的读数值U。导出的与的函数关系式为____________;由此作出的图象如图丙所示,得到图线的截距为b,斜率为k。则电源电动势的表达式为________;内阻的表达式为________。
答案 (1)R4 R1 1990
(2)=·+ E= r=-R0
解析 (1)该实验中电阻箱应选用R4,滑动变阻器分压接法应选用R1,由半偏法原理可知电压表内阻RV=Ra=995 Ω,由电表的改装可知该电压表应串联的分压电阻Rb=Ra=1990 Ω。
(2)由闭合电路欧姆定律E=3U+(r+R0),整理得=·+,截距b=,斜率k=,解得E=,r=-R0。
4.(2016·四川高考)用如图所示电路测量电源的电动势和内阻。
实验器材:待测电源(电动势约3 V,内阻约2 Ω),保护电阻R1(阻值10 Ω)和R2(阻值5 Ω),滑动变阻器R,电流表A,电压表V
,开关S,导线若干。
实验主要步骤:
①将滑动变阻器接入电路的阻值调到最大,闭合开关;
②逐渐减小滑动变阻器接入电路的阻值,记下电压表的示数U和相应电流表的示数I;
③以U为纵坐标,I为横坐标,作UI图线(U、I都用国际单位);
④求出UI图线斜率的绝对值k和在横轴上的截距a。
回答下列问题:
(1)电压表最好选用________;电流表最好选用________。
A.电压表(0~3 V,内阻约15 kΩ)
B.电压表(0~3 V,内阻约3 kΩ)
C.电流表(0~200 mA,内阻约2 Ω)
D.电流表(0~30 mA,内阻约2 Ω)
(2)滑动变阻器的滑片从左向右滑动,发现电压表示数增大。两导线与滑动变阻器接线柱连接情况是________。
A.两导线接在滑动变阻器电阻丝两端的接线柱
B.两导线接在滑动变阻器金属杆两端的接线柱
C.一条导线接在滑动变阻器金属杆左端接线柱,另一条导线接在电阻丝左端接线柱
D.一条导线接在滑动变阻器金属杆右端接线柱,另一条导线接在电阻丝右端接线柱
(3)选用k、a、R1和R2表示待测电源的电动势E和内阻r的表达式E=________,r=________,代入数值可得E和r的测量值。
答案 (1)A C (2)C (3)ak k-R2
解析 (1)电压表测量路端电压,测量中为了减小误差,通过电压表的电流越小越好,在量程一样(0~3 V)的情况下,其内阻越大越好,电压表选A;电路中的电流最大值大约为=200 mA,电流表选C。
(2)滑片从左向右滑动时,电压表示数增大,说明滑片滑动时滑动变阻器接入电路的电阻变大,只有C项的接法符合上述情形。
(3)因为U=E-I(r+R2),所以UI图线如图所示,斜率的绝对值k=r+R2,故r=k-R2。横轴截距a=,则E=ak。
5. (安徽高考)根据闭合电路欧姆定律,用图甲所示电路可以测定电池的电动势和内电阻。图中R0是定值电阻,通过改变R的阻值,测出R0两端的对应电压U12,对所得的实验数据进行处理,就可以实现测量目的。根据实验数据在R坐标系中描出坐标点,如图乙所示。已知R0=150 Ω,请完成以下数据分析和处理。
(1)图乙中电阻为________Ω的数据点应剔除。
(2)在坐标纸上画出R关系图线。
(3)图线的斜率是________V-1·Ω-1,由此可得电池电动势Ex=________V。
答案 (1)80.0 (2)图见解析
(3)4.44×10-3(4.42×10-3~4.46×10-3均正确) 1.50(1.49~1.51均正确)
解析 (1)图中偏离图线较远的点要舍去,所以电阻为80.0 Ω的数据点应剔除。
(2)在坐标纸画一条平滑曲线,如图所示。
(3)图线的斜率k= V-1·Ω-1≈4.44×10-3 V-1·Ω-1,根据闭合电路欧姆定律可得=,整理得=+·R,即=4.44×10-3,则电池电动势Ex≈1.50 V。
6.(2015·四川高考)用实验测一电池的内阻r和一待测电阻的阻值Rx。已知电池的电动势约6 V,电池内阻和待测电阻阻值都为数十欧。可选用的实验器材有:
电流表A1(量程0~30 mA);
电流表A2(量程0~100 mA);
电压表V(量程0~6 V);
滑动变阻器R1(阻值0~5 Ω);
滑动变阻器R2(阻值0~300 Ω);
开关S一个,导线若干条。
某同学的实验过程如下:
Ⅰ.设计如图1所示的电路图,正确连接电路。
Ⅱ.将R的阻值调到最大,闭合开关,逐次调小R的阻值,测出
多组U和I的值,并记录。以U为纵轴,I为横轴,得到如图2所示的图线。
Ⅲ.断开开关,将Rx改接在B、C之间,A与B直接相连,其他部分保持不变。重复Ⅱ的步骤,得到另一条UI图线,图线与横轴I的交点坐标为(I0,0),与纵轴U的交点坐标为(0,U0)。
回答下列问题:
(1)电流表应选用______,滑动变阻器应选用______。
(2)由图2的图线,得电源内阻r=________Ω。
(3)用I0、U0和r表示待测电阻的关系式Rx=________,代入数值可得Rx。
(4)若电表为理想电表,Rx接在B、C之间与接在A、B之间,滑动变阻器滑片都从最大阻值位置调到某同一位置,两种情况相比,电流表示数变化范围________,电压表示数变化范围________。(填“相同”或“不同”)
答案 (1)A2 R2 (2)25 (3)-r (4)相同 不同
解析 (1)电池内阻和待测电阻阻值都为数十欧,滑动变阻器要达到限流效果,应选R2;电池电动势为6 V,调节滑动变阻器,电路中最小电阻为几十欧姆,最大电流在一百毫安左右,电流表选A2。
(2)由题图2可知,图线斜率为k=r==25 Ω。
(3)将Rx改接在B、C之间时,Rx与电池内阻串联,另一条UI
图线的斜率为k=Rx+r=,因此Rx=-r。
(4)电表为理想电表,电路为串联电路,Rx接在B、C之间与接在A、B之间,滑动变阻器滑片都从最大阻值位置调到某同一位置,两种情况相比,总电阻变化范围相同,电流表示数变化范围相同;Rx接在B、C之间时电压表测的是滑动变阻器的电压,接在A、B之间时,电压表测的是Rx与滑动变阻器的总电压,因此电压表示数变化范围不同。