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12.3实验:电池电动势和内阻的测量
【物理核心素养】
物理观念:通过操作实验,让学生形成对实验具有严谨科学态度的物理观念。
科学思维:体验实验研究中获取数据、分析数据、寻找规律的科学思维方法.
科学探究:经历实验过程,掌握实验方法,学会根据图像合理外推进行数据处理的方法。
科学态度与责任:培养仔细观察,真实记录实验数据等良好的实验习惯和实事求是的品质。
【教学重难点】
教学重点
1、电路的连接和实验器材的选择,选择测量方案;
2、实验数据处理和图像法处理实验数据。
教学难点
1.根据实验数据得出结论后,要判断图像的斜率和截距等的意义;
2.理解实验思路,并能列式和变形,通过对比数学方程得出结论。
知识点一、伏安法测电池电动势和内阻
一、实验思路
由E=U+Ir知,改变外电路的阻值可测出多组U、I的值,通过图像可求出E、r的值.实验电路如图所示.
二、物理量的测量
路端电压U和电流I两个物理量.而仅测两组U、I数据,联立方程解得E和r,误差可能较大,应该多次测量,并对数据处理,才能减小误差.所以应该使用滑动变阻器改变外电路电阻,进行多次测量.
三、数据处理
1.计算法:由E=U1+I1r,E=U2+I2r可解得E=eq\f(I1U2-I2U1,I1-I2),r=eq\f(U2-U1,I1-I2).可以利用U、I的值多求几组E、r的值,算出它们的平均值.
2.作图法:
(1)以U为纵坐标,I为横坐标,建立平面直角坐标系,根据几组U、I测量数据,在坐标系中描点,作U-I图像.
(2)将图线两侧延长,纵轴截距点是断路的路端电压,它的数值就是电源电动势E;横轴截距点是路端电压U=0时的电流,它的数值就是短路电流I短=eq\f(E,r).
(3)图线斜率的绝对值为电源的内阻r,即r=eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\f(ΔU,ΔI)))=eq\f(E,I短),如图所示.
3.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U-I图像时描点不准确.
(2)系统误差:主要原因是未考虑电压表的分流作用,使得电流表上读出的数值比实际的总电流(即流过电源的电流)要小一些.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U-I坐标系中表示出来,如图所示,可见E测E真,r测r真.
四、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,防止干电池因大电流放电时间过长导致内阻r发生明显变化.
3.当干电池的路端电压变化不很明显时,作图像,纵轴起点可不从零开始.纵轴单位可取得小一些.如图4所示,此时图线与纵轴交点仍为电池的电动势E,但图线与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=|eq\f(ΔU,ΔI)|求出.
【经典例题1】(1)某位同学利用如图甲所示的电路测定一节干电池的电动势和内阻,他通过多次测量记录了多组对应的电流表示数I和电压表示数U,从而画出了这节干电池的U-I图像,如图乙所示。由此U-I图像可以得出这节干电池的电动势E=_______V,内阻r=_______Ω。(结果保留到小数点后两位)
(2)实验过程中存在系统误差。在图所绘图像中,虚线代表没有误差情况下,电压表两端电压的真实值与通过电源电流真实值关系的图像,实线是根据测量数据绘出的图像,则图中能正确表示二者关系的是_______(选填选项下面的字母)。
【答案】????1.34????0.90????A
【解析】(1)电源U-I图象与纵轴交点坐标值是电源电动势,图象斜率的绝对值等于电源内阻,由图示电源U-I图象可知,电源电动势为
E=1.34V
电源内阻为
(2)本实验采用相对电源的电流表外接法,由于电压表不是理想电表,故存在分流现象,导致电流表示数偏小;而当外电路短路时,电压表的分流可以忽略,故真实图象和测量图象在横轴上的交点相同,故A正确,BCD错误。
故选A。
【变式训练1】某同学要测量一节干电池的电动势和内阻,可供选择的器材有;电流表A(0~0.6A)、电压表V(0~3V)、滑动变阻器(,1A)、滑动变阻器(,2A)、定值电阻为、电键S及导线若干。
(1)请根据题中图1的电路图完成图2的实物连线__。
(2)为方便实验调节且能较准确地进行测量,滑动变阻器应选用______(选填“”,或“”)。
(3)利用电路图进行实验,改变滑动变阻器的阻值,根据所测数据画出的图线如图3所示,则此干电池的电动势___V,内阻____。(均保留两位小数)
【答案】????????????1.50????0.67
【解析】(1)根据电路图完成的实物连线如图所示
(2)因为干电池电压大约
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