2022年高三物理復習 第7章 實驗 測量電源的電動勢和內阻學案

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1、2022年高三物理復習 第7章 實驗 測量電源的電動勢和內阻學案 實驗目的 1.進一步理解閉合電路歐姆定律,掌握用電壓表和電流表測量電源電動勢和內阻的方法. 2.掌握用圖象法求電動勢和內阻的方法;理解并掌握路端電壓U與干路電流I的關系圖象(即U-I圖象)與縱、橫坐標軸交點坐標的意義以及圖象斜率的意義. 實驗原理  本實驗的依據是閉合電路的歐姆定律,實驗電路如圖1所示. 圖1 1.公式法:改變變阻器的阻值,從電流表、電壓表中讀出幾組U、I值,由U=________可得E=U1+I1r,E=U2+I2r,解之E=、r=,多測幾組數據,分別求出幾組電動勢E和r的值,然后求出

2、它們的平均值. 2.圖象法:改變R的阻值,多測幾組U、I值.實驗中至少測出6組U、I值,且變化范圍要大些, 圖2 然后在U-I坐標系中描點作圖,所得直線與縱軸的交點即為____________,圖線______的絕對值即為內阻r的值.如圖2所示. 實驗器材 電池(被測電源)、電壓表、電流表、滑動變阻器、開關、導線、坐標紙. 實驗步驟 1.連接電路 電流表用0.6 A量程,電壓表用3 V量程,按圖1連接好電路. 2.測量與記錄 (1)把滑動變阻器的滑片移動到使接入電路的阻值最大的一端. (2)閉合開關,調節(jié)滑動變阻器,使電流表有明顯示數并記錄一組數據(I1、U1).用

3、同樣方法測量幾組I、U值. 3.數據處理、整理器材 (1)斷開開關,拆除電路整理好器材. (2)取坐標紙,以______為橫軸,____________為縱軸,描繪出所記錄的各組I、U值的對應點,連成U-I圖線.延長U-I圖線,它與坐標軸有兩個交點,讀取E,進一步可以算出r=__________,如圖2所示. 注意事項 1.本實驗采用伏安法正確的實驗電路為電流表內接法(如圖1所示),不要接成電流表外接法(如圖3所示). 圖3 2.合理選擇電壓表、電流表量程.測一節(jié)干電池的電動勢和內阻時,電壓表選3 V量程,電流表選0.6 A量程,滑動變阻器選0~10 Ω. 3.應使用內阻大

4、些(用過一段時間)的干電池;在實驗中不要將I調得過大;每次讀完I和U的數據后應立即斷開電源,以免干電池在大電流放電時E和r明顯變化. 4.在作U-I圖線時,要使較多的點落在這條直線上,不在直線上的點應對稱分布在直線的兩側,不要顧及個別偏離直線較遠的點,以減小偶然誤差. 5.干電池內阻較小時,U的變化較慢,此時,坐標圖中數據點將呈現如圖4甲所示的狀況,為此,可使縱坐標不從零開始,如圖乙所示,把坐標的比例放大,可使結果的誤差減小些.此時圖線與橫軸交點不表示短路電流.另外,計算內阻要在直線上任取兩個相距較遠的點,用r=||算出電池的內阻r. 圖4 誤差分析 由于實驗電路及電壓表、電流表

5、內阻的影響,本實驗結果E測

6、導線若干 (1)為盡量減小實驗的誤差,實驗中電流表選擇________;電壓表選擇________;滑動變阻器選________. 請在虛線方框中畫出實驗電路圖; (2)該同學實驗中記錄的6組對應的數據如下表,試根據表中數據在圖5中描點畫出U-I圖線;由圖線可得,“水果電池”的電動勢E=________V,內電阻r=________Ω. 圖5 I/mA 4.0 5.0 8.0 10.0 12.0 14.0 U/V 3.04 2.85 2.30 1.90 1.50 1.14 (3)實驗測得的“水果電池”的電動勢和內阻與真實值相比,E測______

7、__E真,r測________r真(選填“大于”、“小于”或“等于”). [規(guī)范思維]     題型二 安阻法(利用電流表、電阻箱)測電源的電動勢和內電阻 圖6 實驗器材:一節(jié)干電池、電流表、電阻箱、電鍵. 依據的基本公式:________________________ 實驗原理圖:如圖6所示 用圖象法處理實驗數據,若作出R-圖象(或-R圖象),圖象在R軸上的截距即為電源內阻的負值,圖線的斜率即為電動勢E. 【例2】 (xx·北京理綜·21(2))某同學通過查找資料自己動手制作了一個電池.該同學想測量一下這個電池的電動勢E和內電阻r,但是從實驗室只借到一個開關

8、、一個電阻箱(最大阻值為999.9 Ω,可當標準電阻用)、一只電流表(量程Ig=0.6 A,內阻rg=0.1 Ω)和若干導線. (1)請根據測定電動勢E和內電阻r的要求,設計圖7中器件的連接方式,畫線把它們連接起來. 圖7 圖8 (2)接通開關,逐次改變電阻箱的阻值R,讀出與R對應的電流表的示數I,并作記錄.當電阻箱的阻值R=2.6 Ω時,其對應的電流表的示數如圖8所示.處理實驗數據時,首先計算出每個電流值I的倒數;再制作R-坐標圖,如圖9所示,圖中已標注出了(R,)的幾個與測量對應的坐標點,請你將與圖8實驗數據對應的坐標點也標注在圖9上. 圖9 (3)在圖9上把描繪出

9、的坐標點連成圖線. (4)根據圖9描繪出的圖線可得出這個電池的電動勢E=________V,內電阻r=________Ω. [規(guī)范思維]       題型三 伏阻法(利用電壓表、電阻箱)測電源電動勢和內電阻 實驗器材: 圖10 一節(jié)干電池、電壓表、電阻箱、電鍵. 依據的基本公式:E=U+r或=+· 實驗原理圖:如圖10所示 用圖象法處理數據,若作出-圖象,圖象在軸上的截距為電動勢的倒數1/E,斜率為r/E,由斜率和截距可求得電動勢和內電阻. 圖11 【例3】 甲同學設計了如圖11所示的電路測電源電動勢E及電阻R1和R2的阻值.實驗器材有:待測電源

10、E(不計內阻),待測電阻R1,待測電阻R2,電壓表V(量程為1.5 V,內阻很大),電阻箱R(0~99.99 Ω),單刀單擲開關S1,單刀雙擲開關S2,導線若干. (1)先測電阻R1的阻值.請將甲同學的操作補充完整:閉合S1,將S2切換到a,調節(jié)電阻箱,讀出其示數r和對應的電壓表示數U1,保持電阻箱示數不變,____________________,讀出電壓表的示數U2.則電阻R1的表達式為R1=________. 圖12 (2)甲同學已經測得電阻R1=4.8 Ω,繼續(xù)測電源電動勢E和電阻R2的阻值.該同學的做法是:閉合S1,將S2切換到a,多次調節(jié)電阻箱,讀出多組電阻箱示數R和對應

11、的電壓表示數U,由測得的數據,繪出了如圖12所示的-圖線,則電源電動勢E=______ V,電阻R2=______ Ω. [規(guī)范思維]     題型四 實驗的設計和創(chuàng)新 【例4】 (xx·大綱全國·23)使用多用電表測量電阻時,多用電表內部的電路可以等效為一個直流電源(一般為電池)、一個電阻和一表頭相串聯,兩個表筆分別位于此串聯電路的兩端.現需要測量多用電表內電池的電動勢,給定的器材有:待測多用電表,量程為60 mA的電流表,電阻箱,導線若干.實驗時,將多用電表調至×1 Ω擋,調好零點;電阻箱置于適當數值.完成下列填空: (1)儀器連線如圖13所示(a和b是多用電表的兩個表

12、筆).若兩電表均正常工作,則表筆a為________(填“紅”或“黑”)色; 圖13 (2)若適當調節(jié)電阻箱后,圖13中多用電表、電流表與電阻箱的示數分別如圖14(a)、(b)、(c)所示,則多用電表的讀數為________Ω,電流表的讀數為________mA,電阻箱的讀數為________Ω; (a) (b) (c)            圖14 (3)將圖13中多用電表的兩表筆短接,此時流過多用電表的電流為________mA;(保留3位有效數字) (4)計算得到多用電表內電池的電動勢為________V.(保留3位有效數字) [規(guī)范思維]  

13、   圖15 1.如圖15所示為某次測量電源的電動勢和內阻所作的圖象,有關這個圖象的說法正確的是(  ) A.縱軸截距表示待測電源的電動勢,即E=3 V B.橫軸截距表示短路電流,即I短=0.6 A C.根據r=E/I短,計算出待測電源內阻為5 Ω D.根據r=ΔU/ΔI,計算出待測電源內阻為1 Ω 2.(xx·廣東理綜·34(2))某同學利用電壓表和電阻箱測定干電池的電動勢和內阻,使用的器材還包括定值電阻(R0=5 Ω)一個,開關兩個,導線若干,實驗原理圖如圖16(a)所示. (1)在圖(b)的實物圖中,已正確連接了部分電路,請完成余下電路的連接. (2

14、)請完成下列主要實驗步驟: ①檢查并調節(jié)電壓表指針指零;調節(jié)電阻箱,示數如圖(c)所示.讀得電阻值是________; ②將開關S1閉合,開關S2斷開,電壓表的示數是1.49 V. ③將開關S2________,電壓表的示數是1.16 V;斷開開關S1. (3)使用測得的數據,計算出干電池的內阻是________(計算結果保留二位有效數字). (4)由于所用電壓表不是理想電壓表,所以測得的電動勢比實際值偏________(填“大”或“小”). 圖16 3.現有一特殊電池,它的電動勢E約為9 V,內阻r約為40 Ω,已知該電池允許輸出的最大電流為50 mA.為了測量這個電池

15、的電動勢和內阻,某同學利用如圖17甲所示的電路進行實驗,圖中電流表的內阻RA已經測出,阻值為5 Ω,R為電阻箱,阻值范圍0~999.9 Ω,R0為定值電阻,對電路起保護作用. (1)實驗室備有的定值電阻R0共有以下幾種規(guī)格. A.10 Ω B.50 Ω C.150 Ω D.500 Ω 本實驗選用哪一種規(guī)格的定值電阻最好________. (2)該同學接入符合要求的R0后,閉合開關K,調整電阻箱的阻值,讀取電流表的示數,記錄多組數據,作出了圖乙所示的圖線,則根據該同學作出的圖線可求得該電池的電動勢E=________ V,內阻r=________ Ω.   甲

16、            乙 圖17 4.(xx·江蘇單科·10)在測量電源的電動勢和內阻的實驗中,由于所用電壓表(視為理想電壓表)的量程較小,某同學設計了如圖18所示的實物電路. 圖18 (1)實驗時,應先將電阻箱的電阻調到________.(選填“最大值”、“最小值”或“任意值”) (2)改變電阻箱的阻值R,分別測出阻值R0=10 Ω的定值電阻兩端的電壓U.下列兩組R的取值方案中,比較合理的方案是________.(選填“1”或“2”) 方案編號 電阻箱的阻值R/Ω 1 400.0 350.0 300.0 250.0 200.0 2 80.0 70.0

17、60.0 50.0 40.0 (3)根據實驗數據描點,繪出的-R圖象是一條直線.若直線的斜率為k,在坐標軸縱軸上的截距為b,則該電源的電動勢E=________,內阻r=________.(用k、b和R0表示) 實驗學案37 測量電源的電動勢和內阻 【基礎自主落實】 實驗原理 1.E-Ir 2.電動勢值 斜率 實驗步驟 3.(2)電流I 路端電壓U  【熱點題型精析】 例1 (1)A2 V1 R1 實驗電路圖見解析 (2)U-I圖線見解析 3.80 190 (3)小于 小于 解析 (1)實驗電路圖如下圖所示 (2)如下圖所示,直線與縱軸的截距即為電動勢,所

18、以E=3.80 V,直線斜率的絕對值即為電源的電阻,所以r=||=190 Ω. (3)由于電流表A2的示數是支路電流,而電壓表的示數等于實際的路端電壓,從而產生系統(tǒng)誤差,導致的結果是:E測小于E真,r測小于r真. [規(guī)范思維] 本實驗是一個對實際問題的探究,其實驗方案是教科書上測量電源的電動勢和內阻實驗原理的拓展. 例2 (1)如下圖所示 (2)、(3)如下圖所示 (4)1.52(1.46~1.54) 0.3(0.25~0.35) 解析 首先應理解本題的實驗原理,由閉合電路歐姆定律可知:得R=-(r+rg).可知在R-圖象中,圖線的斜率就是E,縱軸截距為-(r+rg

19、). (1)把它們直接串聯即可. (2)當R=2.6 Ω時,由圖可知,I=0.5 A,=2 A-1,點(2,2.6)見答圖. (3)見答圖,可見是一條傾斜的直線.注意連線時:a.不能連成折線,b.為減小偶然誤差,個別偏離太遠的點舍去. (4)由閉合電路的歐姆定律得E=I(R+r+rg) 則R=-(r+rg),故圖線的斜率k表示電池電動勢E的大小,縱軸截距的絕對值表示內阻(r+rg). 由答圖可知:E=k= V≈1.52 V(1.46~1.54 V范圍內均正確),r≈0.3 Ω(0.25~0.35 Ω均正確). [規(guī)范思維] 本題處理數據時畫出的不是R-I圖線(曲線),而R-圖線(

20、直線),這樣會很容易的求出電源的電動勢和內電阻.這種方法跟研究加速度與質量的關系時,不是利用a-m圖線而是利用a-圖線尋找結論是相同的. 例3 (1)將S2切換到b r (2)1.43(或) 1.2 解析 (1)將S2切換到a時,電壓表示數為U1,電阻箱電阻為r,則電路中電流I1=;將S2切換到b時,電壓表示數為U2,則電路中電流為I2=,由于I1=I2,解得R1=r. (2)由閉合電路歐姆定律得:E=U+(R1+R2) 整理得:=·+ 由題圖可得=0.7,則E=1.43 V 將=2.8,=0.5代入得:R2=1.2 Ω. [規(guī)范思維] 本實驗中雖缺少電流表,但有電阻箱,可利用“

21、伏阻法”測電源電動勢和內電阻的原理.體會用圖象法處理數據的技巧:先寫出縱、橫坐標所表示物理量的表達式-關系式,然后從斜率的意義、截距的意義為突破口,求解未知量. 例4 (1)黑 (2)14.0 53.0 4.6 (3)102 (4)1.54 解析 (1)由多用電表電流“紅表筆進,黑表筆出”,電流表“+”接線柱電流流進,“-”接線柱電流流出知,a表筆為黑色表筆. (2)根據題圖讀數,多用電表讀數為14.0 Ω,電流表讀數為53.0 mA,電阻箱讀數為4×1 Ω+6×0.1 Ω=4.6 Ω. (3)從多用電表表盤來看,指針指在電流表“130”處時實際電流為53 mA,故指針指到最右端“25

22、0”處時,實際電流為53× mA≈102 mA. (4)由E-IR=Ir知,E-14×0.053=0.053×r,又=0.102,得E≈1.54 V. [規(guī)范思維] 本題雖為實驗題,但真正考查的還是閉合電路歐姆定律.理解好以下幾點是解題關鍵: ①多用電表的原理.②把多用電表看作能讀出外電阻的電源.③串聯電路的電流處處相等. 【課時效果檢測】 1.AD 2.(1)如下圖所示 (2)①20 Ω?、坶]合 (3)0.69 Ω (4)小 解析 (1)見答案 (2)由圖(c)讀得電阻箱阻值為R=20 Ω;將S1閉合S2斷開,電壓表示數為電源電動勢E=1.49 V,將S2再閉合,電壓表示

23、數為R兩端電壓.將電壓表視為理想電表,則干路電流I== A=0.058 A. (3)因為I=,所以r=-R0-R=(-5-20) Ω≈0.69 Ω. (4)若考慮電壓表的內阻,則S1閉合S2斷開時,電壓表示數為該表兩端電壓小于電源電動勢. 3.(1)C (2)10 45 解析 (1)回路中的最小電阻R總== Ω=180 Ω,R0為保護電阻,當R=0時,電源電流也不會超出50 mA,此時R0=R總-r-RA=135 Ω,C最合適,A、B太小起不到保護作用,D太大,會使電路中的電流測量范圍太小. (2)由閉合電路的歐姆定律有 E=I(r+R0+RA+R)得 ==+(R+R0)=+(R+R0),圖線的斜率為,由圖線知斜率k==得E=10 V,與縱軸的截距為=5,解得r=45 Ω. 4.(1)最大值 (2)2 (3)?。璕0 解析 (1)電阻箱接入回路中的電阻越大,回路電流越小,起保護電源,防止燒壞電壓表的作用,所以應將電阻箱的電阻調到最大. (2)方案1中電阻箱接入電路的電阻太大,電壓表示數太小,誤差太大.因此采用方案2. (3)由閉合電路歐姆定律可知 =,=R+, 所以=k,=b, 解得:E=,r=-R0.

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