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2019届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
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U-I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U-I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U-I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E真;
③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E=U+UA+IAr,反映到U-I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,UA=0,电压表示数为准确值,等于E。
从图丁可以得到:
①电流为零时,E为真实值;
②I短测I短真;
③因为r测=,所以r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U-I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0.0
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