1、温馨提示： 此套题为Word版，请按住Ctrl,滑动鼠标滚轴，调节合适的观看比例，答案解析附后。关闭Word文档返回原板块。3.实验:电池电动势和内阻的测量实验必备自主学习一、实验目的1.掌握用电压表和电流表测量电动势和内阻的方法。2.会利用计算法和图像法求电动势和内阻。二、实验器材待测电池,电流表 (00.6 A),电压表(03 V),滑动变阻器,开关,导线。在测量电池的电动势和内阻的实验中,待测电池应选择新电池还是旧电池?解释这样选择的好处。提示:旧电池。旧电池的内阻较大,路端电压随电流变化的现象更明显,内阻测量更准确。三、实验原理与设计1.伏安法(1)原理图(2)主方程:E=U+Ir。(
2、3)主要器材:滑动变阻器、电流表、电压表。(4)实验设计:通过调节滑动变阻器,只需测出U、I的两组数据,就可以列出两个关于E、r的方程,从而解出E、r。2.安阻法(1)原理图(2)主方程:E=IR+Ir。(3)主要器材:电阻箱、电流表。(4)实验设计:通过调节电阻箱,只需测出R、I的两组数据,就可以列出两个关于E、r的方程,从而解出E、r。3.伏阻法(1)原理图(2)主方程:E=U+r。(3)主要器材:电阻箱、电压表。(4)实验设计:通过调节电阻箱,只需测出R、U的两组数据,就可以列出两个关于E、r的方程,从而解出E、r。实验过程探究学习 实验步骤 (以伏安法为例)1.电流表用00.6 A量程
3、,电压表用03 V量程,按实验原理图连接好电路。2.把滑动变阻器的滑片移到一端,使其阻值最大。3.闭合开关,调节滑动变阻器,使电流表有明显的示数,记录一组数据(I1、U1)。用同样的方法测量几组I、U值,填入表格中。123456U/VI/A4.断开开关,整理好器材。若使用旧电池进行该实验时,发现路端电压U随电流I变化仍不明显,用什么方法可以使这个变化更明显一些。提示:如图所示给电源串联一个定值电阻,既作为保护电阻,又可以增加电源的等效内阻,使电压表的示数有明显的变化。 数据的分析与处理 1.计算法:由E=U1+I1r,E=U2+I2r可解得:E=,r=。分别将1、4组,2、5组,3、6组联立方
4、程组解出E1、r1,E2、r2,E3、r3,求出它们的平均值作为测量结果:E=,r=。2.图像法:(1)以I为横坐标,U为纵坐标建立直角坐标系,根据几组I、U的测量数据在坐标系中描点。(2)用直尺画一条直线,使尽量多的点落在这条直线上,不在直线上的点,能大致均衡地分布在直线两侧。(3)如图所示:图线与纵轴交点为E;图线与横轴交点为I短=;图线的斜率表示r=|。 (1)干电池内阻较小时,U的变化较小,坐标图中数据点将呈现如图甲所示的状况,下部大面积空间得不到利用,应怎样作图,能有效减少误差? (科学思维)提示:为此可使坐标不从零开始,如题图乙所示,纵坐标不从零开始,把纵坐标的刻度放大,可使结果的
5、误差减小些。(2)如图乙中,怎样计算电动势和内电阻? (科学思维)提示:直线与纵轴交点的纵坐标值即是电池电动势的大小(一次函数的纵轴截距);直线的斜率绝对值即为电池的内阻r,即r=。在利用U-I图线求r时,一定要弄清楚在你面前的U-I图线的纵坐标是否是从零开始的,如果从零开始,则r=,如果不是从零开始,则r=。 误差分析 1.使用限流外接法的误差分析:限流外接法电路如图甲所示。(1)误差来源:电压表的分流作用。由于实际使用的电压表不是理想电表,将有电流通过。测量的电流偏小。(2)误差大小分析:当路端电压为零时,电压表不分电流,此时测量电流没有误差。随着电压表两端的电压越大,通过电压表的电流越大
6、,测量的电流偏小得越多。(3)真实图像与测量图像的比较:综上分析,真正的U-I图像为图乙中的虚线AB,测量值为图乙中的实线AB。(4)结论:与真实值相比,电动势测量值偏小,电阻偏小。2.使用限流内接法的误差分析:限流内接法电路如图丙所示。(1)误差来源:电流表的分压作用。由于实际使用的电流表不是理想电表,电流表两端有电压。测量的电压偏小。(2)误差大小分析:当干路电流为零时,电流表不分电压,此时测量电压没有误差。随着通过电流表的电流增大,电流表两端的电压越大,测量的电压偏小得越多。(3)真实图像与测量图像的比较:综上分析,真正的U-I图像为图丁中的虚线,测量值为图丁中的实线。(4)结论:与真实
7、值相比,电动势测量值无系统误差,电阻偏大。(1)在限流外接法和内接法中,分别选用怎样的电表可减小该实验的误差? (科学思维)提示:使用限流外接法时应选择内阻较大的电压表;使用限流内接法时,应选择电阻较小的电流表。(2)不论使用限流外接法还是内接法都会有一定的误差,综合分析两者的优缺点。 (科学思维)提示:内接法测量电动势没有系统误差,但是内阻测量误差过大;外接法测量电动势和内阻都有误差,但两个误差都较小。实验研析创新学习类型一教材原型实验角度1实验原理和实验操作【典例1】用电流表和电压表测定由三节干电池串联组成的电池组(电动势约4.5 V,内电阻约1 )的电动势和内电阻,除待测电池组、电键、导
8、线外,还有下列器材供选用:A.电流表:量程0.6 A,内电阻约1 B.电流表:量程3 A,内电阻约0.2 C.电压表:量程3 V,内电阻约30 kD.电压表:量程6 V,内电阻约60 kE.滑动变阻器:01 000 ,额定电流0.5 AF.滑动变阻器:020 ,额定电流2 A(1)为了使测量结果尽量准确,电流表应选用_,电压表应选用_,滑动变阻器应选用_(均填仪器的字母代号)。(2)如图为正确选择仪器后,连好的部分电路。为了使测量误差尽可能小,还需在电路中用导线将_和_相连、_和_相连、_和_相连(均填仪器上接线柱的字母代号)。(3)实验时发现电流表坏了,于是不再使用电流表,剩余仪器中仅由电阻
9、箱替换掉滑动变阻器,重新连接电路,仍能完成实验。请在虚线框中画出这种情况下的电路图。【解析】(1)为了使测量更准确,电流表选量程为0.6 A的电流表A,电池组的电动势约4.5 V,故电压表选D,为了便于调节滑动变阻器应选F。(2)为了使测量误差尽可能小,测量电源电动势和内电阻的原理图如图甲所示,因此将a、d相连,c、g相连,f、h相连。(3)用电阻箱和电压表测量电源电动势和内阻应使用伏阻法,其原理图如图乙所示。答案:(1)ADF(2)adcgfh(3)见解析角度2实验数据处理【典例2】在用电流表和电压表测电池的电动势和内阻的实验中,所用电流表和电压表的内阻分别为0.1 和1 k,如图为实验原理
10、图及所需器材图。(1)在图中用笔画线代替导线将器件按原理图连接成实验电路。(2)一位同学记录的6组数据见表:I/A0.120.200.310.320.500.57U/V1.371.321.241.181.101.05试根据这些数据在图中画出U-I图像,根据图像读出电池的电动势E=_V,求出电池内阻r=_。【解析】(1)按照实验原理图将实物图连接起来,如图甲所示。(2)根据U、I数据,在U-I坐标系中找点描迹,如图乙所示,然后连线并将直线延长,交U轴于U1=1.46 V,此即为电源电动势;由闭合电路欧姆定律得r=|= 0.71 。答案:(1)见解析(2)见解析1.46(1.451.47均可)0.
11、71(0.690.73均可)类型二创新型实验【典例3】根据闭合电路欧姆定律,用图甲所示的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,在1、2位置处接一电压传感器,可直接显示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 ,请完成以下数据分析和处理。(1)图乙中电阻为_的数据点应剔除;(2)在图乙上画出-R关系图线;(3)图线的斜率是_(V-1-1),由此可得电池电动势Ex=_V。【解析】(1)根据画图描点原则应舍掉电阻为80 的点。 (2)连线时应该用直线拟合,使线过尽可能
12、多的点,不在线上的数据点均匀分布在线的两侧。(3)根据闭合电路欧姆定律得Ex=U12+(R+rx),所以=+,由图可知斜率=0.004 44,即Ex=1.50 V。答案:(1)80(2)如图所示(3)0.004 441.50【创新评价】创新角度创新方案器材创新测量电流或电压时,可改用传感器等先进仪器。原理创新除常用的伏安法外,还有伏阻法和安阻法也可以用来测量电动势和内阻。操作创新为使实验现象更明显,可在干路串联一个定值电阻,计算内阻时可将该电阻等效为电池内阻的一部分。课堂检测素养达标1.如图甲所示,R为电阻箱(099.9 ),置于阻值最大位置,Rx为未知电阻。断开S2,闭合S1,逐次减小电阻箱
13、的阻值,得到一组R、I的值,并依据R、I值作出了如图乙所示的R-图线;断开S2,闭合S1,当R调至某一位置时,电流表的示数I1=1.0 A;保持电阻箱上各旋钮的位置不变,断开S1,闭合S2,此时电流表的示数为I2=0.8 A。据以上数据可知(电流表内阻不计)()A.电源电动势为3.0 VB.电源内阻为2 C.Rx的阻值为2 D.S1断开,S2接通时,随着R的减小,电源输出功率一直增大【解析】选D。根据E=IR+Ir,解得R=-r,图线的斜率与电源的电动势相等,故E= V=2 V,纵轴截距的绝对值表示内阻,所以内阻r=0.5 ,故A、B错误; 断开S2,闭合S1,当R调至某一位置时,电流表的示数
14、I1=1.0 A;有E=I1R+I1r,代入数据解得:R=1.5 ,断开S1,闭合S2,此时电流表的示数为I2=0.8 A,则有:E=I2+I2r,解得Rx=0.5 ,故C错误;由于Rx与电源内阻相等,又知当外电阻等于电源内阻时,电源的输出功率最大,当外电阻大于内阻时,随着外电阻的减小,电源输出功率增大,S1断开,S2接通时,随着R的减小,电源输出功率一直增大,故D正确。2.同学们知道,将两个金属电极插入任何一个水果中就可以做成一个水果电池,但日常生活中我们很少用“水果电池”,这是为什么呢?某学习小组的同学准备就此问题进行探究。(1)同学们通过查阅资料知道将锌、铜两电极插入水果中,电动势大约会
15、有1 V多一点。晓宇同学找来了一个土豆做实验,当用量程为03 V、内阻约50 k的电压表测其两极时读数为0.96 V。但当他将四个这样的“土豆电池”串起来给标称值为“3 V0.5 A”的小灯泡供电时,灯泡并不发光。检查灯泡、线路均没有故障,而用电压表测量其电压确实能达到3 V多。据您猜想,出现这种现象的原因应当是:_(不要求写分析、推导过程)。(2)晓宇同学用欧姆表直接测“土豆电池”的两极,读得此时的读数为30 。小丽同学用灵敏电流表直接接“土豆电池”的两极,测得电流为0.32 mA,根据前面用电压表测得的0.96 V电压,由闭合电路欧姆定律得:r= =3.0 k。因而晓宇同学说土豆的内阻为3
16、0 ,而小丽同学则说是3 k。请你判断,用晓宇或小丽同学的方法测量“土豆电池”的内阻,结果是否准确,为什么?请分别说明理由_。(3)若实验室除了导线和开关外,还有以下一些器材可供选择:A.电流表A1(量程为00.6 A,内阻为1 )B.灵敏电流表A2(量程为00.6 mA,内阻为800 )C.灵敏电流表A3(量程为0300 A,内阻未知)D.滑动变阻器R1(最大阻值约10 )E.滑动变阻器R2(最大阻值约2 k)F.定值电阻(阻值2 k)G.变阻箱(09 999 )为了能尽可能准确测定“土豆电池”的电动势和内阻,实验中应选择的器材是_(填器材前的字母代号)。在方框中画出设计的电路图。【解析】(
17、1)“土豆电池”的内阻太大,接灯泡时,电流太小,灯泡功率太小,不会发光; (2)晓宇的方法不正确,因土豆电池本身有电动势,当用欧姆表直接接“土豆电池”的两极时,欧姆表内部的电源与“土豆电池”的电动势正向或反向串联,影响测量的结果,故测不准;小丽同学测量的误差也很大。理想状态下用电流表测得的是短路电流,电压表测得的应当是电源电动势,但由于“土豆电池”的内阻很大,电压表的内阻不是远大于“土豆电池”的内阻,故其测得的电动势误差大,算得的内阻亦不准确。小丽同学的测量未扣除灵敏电流表内电阻;(3)因没有电压表,故本实验可以采用安阻法,测电源电动势与内阻需要电阻箱与电流表,由题意可知,“土豆电池”内阻很大
18、,通过“土豆电池”的最大电流较小,为保证安全并精确测量,电流表可选B,即灵敏电流表A2(量程为00.6 mA,内阻为800 ),因此实验器材可选:B、G。安阻法测电源电动势与内阻的实验电路图如图所示:答案:(1)“土豆电池”内阻太大(2)晓宇的方法不正确,未考虑“土豆电池”本身有电动势;小丽同学测量的误差也很大,因为灵敏电流表的内电阻不可忽略(3)B、G见解析【加固训练】1.在“测定电池的电动势和内阻”的实验中,已连接好部分实验电路。(1)按图甲所示的实验电路,把图乙中剩余的电路连接起来。(2)在图乙的电路中,为避免烧坏电表,闭合开关前,滑动变阻器的滑片应置于_端(选填“A”或“B”)。(3)
19、如图是根据实验数据作出的U-I图像,由图可知,电源的电动势E=_V,内阻r=_。【解析】(1)电路连接如图所示:(2)闭合开关前,滑动变阻器接入电路中的阻值应该最大,故滑片应置于A端。(3)由题图图像可知,电源电动势为1.5 V,内阻r= =1.0 。答案:(1)见解析图(2)A(3)1.51.02.某探究性学习小组利用如图所示的电路测量电池的电动势和内阻。其中电流表A1的内阻r1=1.0 k,电阻R1=9.0 k,为了方便读数和作图,给电池串联一个R0=3.0 的电阻。(1)按图示电路进行连接后,发现aa、bb和cc三条导线中,混进了一条内部断开的导线。为了确定哪一条导线内部是断开的,将电键
20、S闭合,用多用电表的电压挡先测量a、b间电压,读数不为零,再测量a、a间电压,若读数不为零,则一定是_导线断开;若读数为零,则一定是_导线断开。(2)排除故障后,该小组顺利完成实验。通过多次改变滑动变阻器触头位置,得到电流表A1和A2的多组I1、I2数据,作出图像如图。由I1-I2图像得到电池的电动势E=_V,内阻r=_。【解析】(1)将电键S闭合,用多用电表的电压挡先测量ab间电压,读数不为零,可知cc不断开,再测量aa间电压,若读数不为零,可知bb间不断开,则一定是aa间断开。若aa间电压为零,则bb导线断开。(2)根据闭合电路的欧姆定律得E=I1(R1+r1)+(I1+I2)(R0+r)
21、,I1I2,上式可简化为E=I1(R1+r1)+I2(R0+r),进一步处理可得:I1=-I2,由题图可知,纵截距为,斜率绝对值为。解得:电动势E=1.41 V,内阻r=0.5 。答案:(1)aabb(2)1.41(1.361.44均可)0.5(0.40.6均可)3.甲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),待测电阻R1,待测电阻R2,电压表V(量程为01.5 V,内阻很大),电阻箱R(099.99 ),单刀单掷开关S1,单刀双掷开关S2,导线若干。 (1)先测电阻R1的阻值。请将甲同学的操作补充完整:闭合S1,将S2切换到a,调节电
22、阻箱,读出其示数r和对应的电压表示数U1;保持电阻箱示数不变,_,读出电压表的示数U2,则电阻R1的表达式为R1=_。(2)甲同学已经测得电阻R1=4.8 ,继续测电源电动势E和电阻R2的阻值。该同学的做法是:闭合S1,将S2切换到a,多次调节电阻箱,读出多组电阻箱示数R和对应的电压表示数U,由测得的数据,绘出了如图乙所示的-图线,则电源电动势E=_V,电阻R2=_。(3)利用甲同学设计的电路和测得的电阻R1,乙同学测电源电动势E和电阻R2阻值的做法是:闭合S1,将S2切换到b,多次调节电阻箱,读出多组电阻箱示数R和对应的电压表示数U,由测得的数据,绘出了相应的-图线,根据图线得到电源电动势E
23、和电阻R2。这种做法与甲同学的做法比较,由于电压表测得的数据范围_(选填“较大”“较小”或“相同”),所以_同学的做法更恰当些。【解析】(1)将S2切换到a时,电压表示数为U1,电阻箱电阻为r,则电路中电流I1=;将S2切换到b时,电压表示数为U2,则电路中电流为I2=,由于I1=I2,解得R1=r。(2)由闭合电路欧姆定律得E=U+(R1+R2),整理得=+,由图乙可得=0.7,故E1.43 V,将=2.8,=0.5代入上式得R2=1.2 。(3)由于电压表量程较小,测得数据范围较小,测量误差较大,所以甲同学的做法更恰当些。答案:(1)将S2切换到br(2)1.43(或)1.2(3)较小甲关闭Word文档返回原板块
