测电源电动势和内电阻的三种误差分析

4 测电源电动势和内电阻的三种误差分析测电源电动势和内电阻的三种误差分析 河南省信阳高级中学 陈庆威 2016 12 14 用电流表和电压表测电源电动势和内电阻的实验是高中物理电学中的一个重要实验 也是电学实验中的一个难点 教材中给出了如图甲所示的实验方案 但同学们对教材中 所给的测量电路图体会不深 认为把电流表放在支路中 如图甲所示 和放在滑动变阻 器的干路中 如图乙所示 效果是一样的 下面我们从两种实验方法所产生的系统误差 角度来加以论述 由于同学们的知识所限 课堂上一般采用定量计算的方法和用图象进 行定性分析的方法 对于参加过竞赛培训的同学还可以用戴维宁定理 等效电压源定理 来定量分析 1 定量计算的方法 设电源的电动势和内电阻的真实值分别为和 r 电源的电动势和内电阻的测量值 分别为和 电流表和电压表的内阻分别为和 滑动变阻器从右向左移动 r A R V R 得到的两组示数分别为 U1 I1 和 U2 I2 对于图甲所示电路 如果不考虑电压表和电流表的内阻 由闭合电路欧姆定律有 解得 这就是电动势和内电阻的测量值 11 22 UI r UI r 1 22 1 21 12 21 U IU I II UU r II 如果考虑电压表和电流表的内阻 由闭合电路欧姆定律有 解得 这就是电动势和内电阻的真实值 1 11 2 22 V V U UIr R U UIr R 1 22 1 21 21 12 21 21 V V U IU I UU II R UU r UU II R 4 因为 所以 因此 也就是说测得的电动势 12 UU 21 0 V UU R rr 和内电阻都是偏小的 它们的相对误差分别为 21 21 VV UUr II RRr 其中 所以两者的相对误差都很小 我们 21 21 r VV UUrrr rII RRr rRv 采用的就是这种测量电路测量电源的电动势和内电阻 对于图乙所示电路 如果不考虑电压表和电流表的内阻 由闭合电路欧姆定律有 解得 这就是电动势和内电阻的测量值 11 22 UI r UI r 1 22 1 21 12 21 U IU I II UU r II 如果考虑电压表和电流表的内阻 由闭合电路欧姆定律有 解得 这就是电动势和内电阻的真实值 111 222 A A UI RI r UI RI r 1 22 1 21 12 21 A U IU I II UU rR II 由此可见 也就是说测得的电动势是准确的 测量值的相 A rrR r 对误差为 由于实验设备所限 电源内电阻 r 和电流表的内阻的 A r Rrr rr A R 阻值差不多 这样内电阻就会有很大的相对误差 所以我们不采用这种测量方法 2 用图象定性分析 对于图甲所示电路 测出几组 U I 值 然后在 U I 坐标系中描 点并连线如图中线所示 直线与 U 轴的交点 1 1 表示电源电动势的测量值 直线斜率的绝对值 1 表示内电阻的测量值 由于电压表的分流作用 I U 1 2 4 对于某一组具体的 电压表测得电压就是电源的路端电压 而通过电源 1 U 1 I 1 U 的电流比电流表测得的略大 满足关系 可见越大 越大 1 I 1 11 V U II R U II I 越小 越小 特别的当时 对每一个点进行修 U II I 0U 0II I 正 每一个点的电压值不变 电流值略微变大 而且当电压值越大 对应的调整量也越 大 证明调整过的点位于同一条直线上的方法如上面所述 把经过修正的点连接起来 如图中线所示 这样直线与 U 轴的交点表示电源电动势的真实值 图线斜率的绝对 2 2 值表示内电阻的真实值 可见 用图二所示电路测得的电动势和内电阻都是偏小的 对于图乙所示电路 测出几组 U I 值 然后在 U I 坐标系中描点并连线如图中线所示 直线与 U 1 1 轴的交点表示电源电动势的测量值 直线斜率的绝对值表示内电阻的测量值 由于电 1 流表的分压作用 对于某一组具体的 电流表测得电流就是通过电源的电 1 U 1 I 1 I 流 而电源的路端电压比电压表测得的略大 1 U 满足关系 可见越大 111A UUI R I 越大 越小 越小 UU U I UU U 特别的当时 对每一个0I 0UU U 点进行修正 每一个点的电流值不变 电压值适当 调整变大 而且当电流值越大 对应的调整量也越 大 下面来证明经调整的点仍位于一条直线上 线性的 原来的点满足关系 UI r 经过修正的点满足关系可见 U 和仍然是一次函数 A UUUI rI R I 的关系 也就是说它们仍将位于同一条直线上 把经过修正的点连接起来 如图中线所示 这样直线与 U 轴的交点表示电源电 2 2 动势的真实值 图线斜率的绝对值表示内电阻的真实值 可见 用图一所示电路测得的 电动势的值是准确的 测得的内电阻是偏大的 3 用等效电压源定理 戴维宁定理 来分析 利用等效电压源定理可将电路简化 从而使计算得以简洁 等效电压源定理表述为 两端有源网络可等效为一个电压源 其电动势等于网络的开路端电压 内阻等于从网络 两端看除源 将电动势短路 网络的电阻 I U 1 2 4 对于图甲的电路 可以把电源和电压表看成一个整体 这样测得的就 是这个整体的端电压和通过这个整体的电流 计算出的 就是这个整体的电动势和这个整体的内电阻 根据戴维 宁定理 这个整体的电动势相当于开路时电压表所分得 的电压 整体的电阻相当于电源和电压表并联的阻值 即 显而易见 V V V V R Rr R r r Rr rr 也很轻易就能计算出来 V r V r Rr rrr rRr 对于图乙的电路 可以把电源和电流表看成一个整体 这样测得的就 是这个整体的端电压和通过这个整体的电流 计算出的 就是这个整体的电动势和这个整体的内电阻 根据戴维 宁定理 这个整