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【步步高】2012高中物理大一轮复习 第十章 实验十四 测定电源的电动势和内阻讲义课件 大纲人教版_图文

实验十四
一、实验目的

测定电源的电动势和内阻 要点归纳

1.用电流表和电压表测定电源的电动势和内阻. 2.进一步加深对闭合电路欧姆定律的理解. 3.进一步熟练掌握电压表和电流表的使用方法. 二、实验原理 本实验的依据是闭合电路的欧姆定律,实验电路如图1 所示.改变变阻器的阻值,从电流表、电压表中读出几 I1U2-I2U1 U2-U1 组U、I值,由U=E-Ir可得E= 、r= . I1-I2 I1-I2

以上方法误差较大,为减小误差,实验中至少测出6组U、I 值,且变化范围要大些,然后在U-I图中描点作图,所得 直线跟纵轴的交点即为电动势值,图线斜率的绝对值即为 内阻r的值.如图2所示.

图1

图2

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. 四、实验步骤 1.连接电路 (1)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 (2)把变阻器的滑片移动到使用阻值最大的一端. (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).用同样方法测量几组I、U值.

3.数据处理、整理器材 (4)断开开关,拆除电路,整理好器材. (5)取坐标纸,以电流I为横轴,路端电压U为纵轴,描 绘出所记录的各组I、U值的对应点,连成U-I图 线.延长U-I图线,它与坐标轴有两个交点,读取E、 E ΔU I短,进一步可以算出r= = ,如图2所示. I短 ΔI 五、误差分析 由于实验电路及电压表、电流表内阻的影响,本实验 结果E测<E真,r测<r真.

六、注意事项 1.为了使电池的路端电压变化明显,电池的内阻应选大些 (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老化现象严 重,使得E和r明显变化. 3.测出不少于6组I、U数据,且变化范围要大些,用方程 组求解时,类似于逐差法,要将测出的I、U数据中,第 1和第4组为一组,第2和第5组为一组,第3和第6组为一 组,分别解出E、r值再求平均.

4.干电池内阻较小时,U的变化较小,此时,坐标图中数 据点将呈现如图3甲所示的状况,使下部大面积空间得 不到利用.为此,可使纵坐标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),如图 乙所示,并且把纵坐标的比例放大,可使结果的误差减 小.此时图线与横轴交点不表示短路电流而图线与纵轴 的截距仍为电动势.在直线上任取两个相距较远的点, ΔU 用r=| |计算出电池的内阻r. ΔI

图3

典例精析
例1 (2010· 江苏)在测量电源的电动势和内阻的实验中,由 于所用电压表(视为理想电压表)的量程较小,某同学设计了 如图4所示的实物电路.

图4

(1)实验时,应先将电阻箱的电阻调到________.(选填“最 大值”、“最小值”或“任意值”) (2)改变电阻箱的阻值 R,分别测出阻值 R0=10 Ω 的定值电 阻两端的电压 U,下列两组 R 的取值方案中,比较合理的 方案是________.(选填“1”或“2”) 方案编号 1 2 400.0 80.0 电阻箱的阻值 R/Ω 350.0 300.0 250.0 200.0

70.0 60.0 50.0 40.0 1 (3)根据实验数据描点,绘出的U-R 图象是一条直线.若直 1 线的斜率为 k,在U坐标轴上的截距为 b,则该电源的电动 势 E=________,内阻 r=________.(用 k、b 和 R0 表示)

解析

(1)实验中电阻箱起到改变电路的总电阻和分压作用,

为了确保仪器的安全,一般将电阻箱的电阻先调到最大值. (2)由于定值电阻 R0=10 Ω,若选用方案 1,则电压表的示数 较小,示数变化范围也很小,所以选用方案 2. U 1 (3)根据闭合电路欧姆定律有 E= (R0+R+r),变形为U= R0 R0+r R0+r 1 1 R+ ,由题意得斜率 k= ,截距 b= ,解得 ER0 ER0 ER0 ER0 1 b E= ,r=k-R0. kR0 1 b 答案 (1)最大值 (2)2 (3)kR k-R0 0

例2 (2010· 广东理综)某同学利用电压表和电阻箱测定干电池的 电动势和内阻,使用的器材还包括定值电阻(R0=5 Ω)一个, 开关两个,导线若干,实验原理图如图5(a). (1)在图(b)的实物图中,已正确连接了部分电路,请完成余下 电路的连接. (2)请完成下列主要实验步骤: A.检查并调节电压表指针指零;调节电阻箱,示数如图(c) 所示,读得电阻值是________; B.将开关S1闭合,开关S2断开,电压表的示数是1.49 V; C.将开关S2________,电压表的示数是1.16 V;断开开关S1.

(3)使用测得的数据,计算出干电池的内阻是________(计算 结果保留两位有效数字). (4)由于所用电压表不是理想电压表,所以测得的电动势比 实际值偏________(填“大”或“小”).

图5

图5

解析

由图示可知电阻箱读数为20

Ω.开关S1闭合,S2断

开,电压表示数1.49 V即为电动势测量值,由于电压表内阻 并不是无穷大,故电动势测量值小于其真实值.闭合S2,电 U 压示数为1.16 V.由闭合电路欧姆定律E=U+ R (R0+r)得r =0.69 Ω. 答案 (1)如图所示

(2)A.20 Ω C.闭合 (3)0.69 Ω (4)小

答题技巧

实物图连接的技巧

实物图连接是一类考查学生实验技能和操作能力较为有效 的题型,连线前一定要画出实验电路图,然后按图连线, 且必须注意以下几点:①连线不能交叉;②必须把线接在 接线柱上;③电流应从电表正接线柱流入,从负接线柱流 出;④变阻器应处在有效控制状态.在实际操作中,画电 路图时,各元件的相对位置应尽量与实物图相吻合;连实 物图时,应先串后并,先连控制电路后连测量电路.要特 别注意变阻器的分压连接,把变阻器的全电阻、开关、电 源连成干路,取变阻器的部分电阻与测量电路并联即可.

创新实验 例 3 硅光电池是一种可将光能转换为电能的器件, 某同学用 图 6 所示电路探究硅光电池的路端电压 U 与总电流 I 的关系, 图中 R0 为已知定值电阻,电压表视为理想电压表.

图6

(1)请根据上图,用笔画线代替导线将图7中的实验器材连接 成实验电路.

图7
(2)若电压表V2的读数为U0,则I=________. (3)实验一:用一定强度的光照射硅光电池,调节滑动变阻 器,通过测量得到该电池的U—I曲线a,如图8所示.由此 可知电池内阻________(选填“是”或“不是”)常数,短 路电流为______ mA,电动势为________ V.

(4)实验二:减小实验一中光的强度,重复实验,测得U—I 曲线b,如图所示. 当滑动变阻器的电阻为某值时,若实验一中的路端电压为 1.5 V,则实验二中外电路消耗的电功率为________ mW(计 算结果保留两位有效数字).

图8

解析

(1)连实物图时应注意:先把

表、圈

表放一边, 表并联在R+

将主回路连起来即从电源正极出发,到电键S,再到R、R0, 回到电源负极,再将 表并联到R0两端, R0两端,如答案图所示. U0 (2)由部分电路欧姆定律得I= . R0 (3)U-I图线斜率的绝对值表示电池内阻,由图知:图象斜 率在变,故知电池内阻不是常数;图线的横轴截距表示短 路电流,故短路电流为0.295 mA;图线为纵轴截距表示电 池的电动势,由图知:E=2.67 V.

(4)若实验一中路端电压为1.5 V时,由图线a可知,I=2.15× 10-4 A,即图中的A点,取坐标原点为O,用直线连结OA, 如上图所示,则OA的斜率代表该电路外电阻R外=R0+R, 为一定值.直线OA交图线b于B点,B点坐标为(0.68 V,96 ×10-6 A),则实验二中外电路消耗的电功率为P=UI =0.065 mW.

答案

(1)如图所示

U0 (2) R0

(3)不是

0.295(0.293~0.297) (4)0.065(0.060~0.070)

2.67(2.64~2.70)

随堂巩固训练
1.(江苏高考)某同学欲采用如图所示的电路完成相关实 验.图中电流表 的量程为0.6 A,内阻约0.1 Ω;电压 ) 表? 的量程为3 V,内阻约6 kΩ;?为小量程电流表;电 源电动势约为3 V,内阻较小.下列电路中正确的是(

解析

描绘小灯泡伏安特性曲线要求小灯泡两端的电压变

化范围尽可能大,因此应选择分压电路,C错误;测定电流 表内阻时,应选通过调节滑动变阻器使电流表满偏,然后 接入变阻箱,保持滑动变阻器阻值不变,调节变阻箱阻 值,使电流表半偏,读得变阻箱阻值即为电流表内阻,所 以D中滑动变阻器与变阻箱位置应对调,D错误.

答案

AB

2.(宁夏高考)(1)由绝缘介质隔开的两个 同轴的金属圆筒构成圆柱形电容器. 如图9所示,试根据你学到的有关平 行板电容器电容的知识,推测影响圆 柱形电容器电容的因素有______. (2)利用伏安法测量干电池的电动势和 内阻,现有的器材为: 干电池:电动势约1.5 V,符号 电压表:量程1 V,内阻998.3 Ω,符号 电流表:量程为1 A,符号

图9

滑动变阻器:最大阻值10 Ω,符号 电阻箱:最大阻值99 999.9 Ω,符号 单刀单掷开关1个,符号 导线若干 ①设计测量电源电动势和内阻的电路并将它画在指定的方 框内.要求在图中标出电压表、电流表的接线柱的正负.

②为了满足本实验要求并保证实验的精确度,电压表量程 应扩大为原量程的______倍,电阻箱的阻值应为______ Ω.

答案 (1)H、R1、R2、ε(正对面积、极板间距离、极板间 的介质) (2)①如图所示

②2 998.3

3.(2009· 安徽理综)用图10所示电路,测定一节干电池的电 动势和内阻.电池的内阻较小,为了防止在调节滑动变 阻器时造成短路,电路中用一个定值电阻R0起保护作 用.除电池、开关和导线外,可供使用的实验器材还 有:

图10

(a)电流表(量程 0.6 A、3 A); (b)电压表(量程 3 V、15 V); (c)定值电阻(阻值 1 Ω、额定功率 5 W); (d)定值电阻(阻值 10 Ω、额定功率 10 W); (e)滑动变阻器(阻值范围 0~10 Ω、额定电流 2 A); (f)滑动变阻器(阻值范围 0~100 Ω、额定电流 1 A). 那么 (1)要正确完成实验,电压表的量程应选择________ V,电流 3 表的量程应选择________ A;R0 应选择________ Ω 的定值 0.6 1 电阻,R 应选择阻值范围是________ Ω 的滑动变阻器. 0~10 (2)引起该实验系统误差的主要原因是 电压表的分流 .

4.图11是利用两个电流表 定电阻R1和



测量干电池电动势E和内

阻r的电路原理图.图中S为开关,R为滑动变阻器,固 的内阻之和为10 000 Ω(比r和滑动变阻器 为理想电流表. 的总电阻都大得多),

图11

(1)按电路原理图在图12虚线框内各实物图之间画出连线.

图12
(2)在闭合开关S前,将滑动变阻器的滑动端c移动至____ (填“a端”、“中央”或“b端”).

(3)闭合开关S,移动滑动变阻器的滑动端c至某一位置,读 出电流表 和 的示数I1和I2.多次改变滑动端c的位置, 得到的数据为 I1/mA 0.120 0.125 0.130 0.135 0.140 0.145 I2/mA 480 400 320 232 140 68 在图13所示的坐标纸上以I1为纵坐标、I2为横坐标画出所对 应的I1—I2曲线.

图13

(4)利用所得曲线求电源的电动势E=________ V,内阻r= ________ Ω.(保留两位小数) (5)该电路中电源输出的短路电流Im=________ A.

答案

(1)连线如下图所示

(2)b端 (3)如下图所示

(4)1.49(1.48~1.50范围内同样给分) 同样给分) (5)2.5(2.3~2.7范围内同样给分)

0.60(0.55~0.65范围内