2018年高考物理考前复习利器之静电场和电路专题9直流电路实验：测定电池的电动势和内电阻学案

1、实验：测定电池的电动势和内电阻【学习目标】1 .知道测量电源电动势和内阻的实验原理，进一步感受电源路端电压随电流变化的关系。2 .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。3 .尝试进行电源电动势和内阻测量误差的分析，了解测量中减小误差的方法。4 .培养仔细观察，真实记录实验数据等的良好的实验习惯和实事求是的品质。【要点梳理】要点一、实验原理测定电池的电动势和内阻的基本原理是闭合电路的欧姆定律，但是根据不同的实验器材和闭合电路的欧姆定律的不同表达式，采用的方法是不同的，常用的有以下三种.1.伏安法测E和r(1)实验电路如图所示.Er(2)实验原理根据闭合电路欧姆定律：

2、EU卜，改变外电路电阻R,用电流表和电压表测出两组总电流，11、I2和路端电压U1、U2,即可得到两个欧姆定律方程：EU111r和EU2I2r,解此方程组可得电源的电动势为EI1U2I"1,电源的内阻为I 1I2U2U1r-II I2本实验是用电压表和电流表同时测电压和电流，所以称为“伏安法”，但这里的被测对象是电源.2 .电流表和电阻箱法测E和r(1)实验电路如图所示.(2)实验原理：改变电阻箱的阻值，记录R和I,应用EEIi(R r)I2(R2 r)3 .电压表和电阻箱法测E和r(1)实验电路如图所示.(2)实验原理:改变电阻箱的阻值， 记录R和U ,应用Ui山rR1一 十1 ，

3、求出E和r。UrR2要点二、实验方法1.按照电路图连接好，如图所示， 一端(图中是最右端)(伏安法)选择所需的实验器材，并确定电流表、电压表的量程，把器材 注意应使开关处于断开状态，且使滑动变阻器的滑动片移到阻值最大的E,r2 .闭合开关，改变滑片的位置，读出电压表的读数U和电流表的读数，并填入事先绘制好的表格.3 .多次改变滑片的位置，读出对应的多组数据，并一一填入下表中.4 .断开开关，整理好器材.5 .数据处理：用原理中的方法计算或从UI,图中找出电动势和内电阻.要点诠释：(1)上述实验的方法是以伏安法为例的，这个方法的特点是简单明了，而且便于通过作图处理数据，缺点是要同时使用两个电表来

4、测量电流和电压.(2)本实验应使用内阻较大的旧电池.(3)实验中滑动变阻器阻值不要太大，每次读完U或I值后立即断开开关.要点三、数据处理1 .平均数值：运用解方程EU卜，求解电动势和内电阻.为了减小实验误差，应该利用U、I值多求几组电动势和内电阻的值，算出它们的平均值，即匚EiE2LEnEri2Lrnr2 .图象法：据EU卜，可得UE卜.即对于E、r一定的电源，根据测量的U、I值描绘出一条UI图线，如图所示，它是一条斜向下的直线，这条直线与纵轴的交点表示电动势E,与横轴，的交点表示短路电流I0,图线的斜率的绝对值表示内阻r.要点诠释:(1)物理实验中通过作图得到实验结果的方法叫图象法，它是一种

5、应用很广泛的处理实验数据的方法.它不但能减小测量结果的误差，而是具有更简便、更直观的特点.(2)尽量多测几组U、I数据(一般不少于6组)，且数据变化范围要大些.(3)作UI图象时，让尽可能多的点落在直线上，不落在直线上的点应均匀分布在直线两侧.要点四、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UI图象时描点不很准确.2 .系统误差：来源于电压表的分流.由于电压表的分流作用，使电流表示数I小于电池的输出电流I真，导致电源电动势和内阻的测量值E测和r测都比真值E真和r真小.具体分析可采用以下几种方法：(1)理论分析法对于测量电路，由闭合电路的欧姆定律得U1IJ测，E测U212r测

6、，解得:I2U1I1U21211U1 U2I 211若考虑电压表的分流作用，方程修正为:解得Ui(Ii匕开直，RvU2(I2I2U1I1U2(I2U_'I1)RVUi(I2Ii)U2U1 U2Rv比较得E测E真(2)图象修正法由于电压表分流Iv ,使电流表示数 I小于电池的输出电流I真.I真IIv ，而IV工，U越大，Iv越大.它们的关系如图所示.实测的图线为AB,经过修正后的图RV线为A'B,可看出AB的斜率绝对值和在纵轴上截距都小于A'B,即实测的E和r都小于真实值.(3)等效电源法若把图中的R和电流表看成外电路，则电压表可看成内电路的一部分，故实际测出的是电池和电

7、压表整体等效的r和E因电压表和电池并联，故等效内阻rRr真小于电池Rvr真内阻r真.外电路断开时，电压表与电源构成闭合回路，此时ab两点间的电压Uab即为等效电动势E3 .伏安法测E、r还可接成如图所示电路.£',r该测量电路存在的系统误差是因为电流表的分压作用导致的.因为U真U测U/U测IRa，Ra为电流表的内阻，这样在UI图线上对应每一个I应加上一修正值UIRa,由于Ra很小，所以在I很小时，U趋于零，I增大，U也增大，理论与测量值的差异如图所示.由图可知：E测E真，r测噎（内阻测量误差非常大）.另外两种误差的分析方法请自行分析.要点诠释：一般电源的内阻都较小，与电流表的

8、内阻相差不大，而电压表的内阻远大于电源内阻，也远大于测量电路中的外电阻，所以为减小误差，我们采用如图甲所示的电路.而不采用如图乙所示的电路进行测量.要点五、注意事项1 .为了使电池的路端电压变化明显，电池的内电阻宜大些（选用已使用过一段时间的1号干电池）.2 .干电池在大电流放电时极化现象较严重，电动势E会明显下降，内电阻r会明显增大，故长时间放电时电流不宜超过0.3A,短时间放电不宜超过0.5A.因此，实验中不要将R调得过小，读电表示数要快，每次读完立即断电.3 .合理地选择电压表与电流表的量程可以减小读数误差.测一节或二节干电池的电动势和内电阻时，电压表一般选取g3V量程，电流表一般选取g

9、0.6A量程.4 .要测出不少于6组I、U数据，且变化范围要大些.用方程组求解时，要将测出的，I、U数据中，第1和第4为一组。第2和第5为一组，第3和第6为一组，分别解出E、r再取平均值.5 .在画UI图线时，要使较多的点落在这条直线上或使各点均匀分布在直线的两就可使偶然误差得到部分的抵消，从而提侧.个别偏离直线太远的点舍去不予考虑.这样，高测量精度.6 .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，下面大面积空间得不到利用，为此可使坐标不从零开始，如图乙所示，把坐标的比例放大，可使结果的误差减小些.此时图线与横轴交点不表示短路电流，计算内阻要在直线上任取两个相距较远的

10、点，用r_U计算出电池的内阻r.J54.32 J.() 11 1 11 11 11 110.1 0.2 0.3 04 0.5 0.6 Z/A甲要点六、测定电源电动势和内电阻的其他方法主要仪器原理电路图误差来源测量结果电压表变阻箱L-UiEU1-rRiU2EU2rR2-田1电压表分流电动势和内阻均偏小电流表变阻箱EI1R11rEI2R212r六Er国1电流电分压电动势无偏差，内阻偏大一只电压表（粗测）U-ERV-Rvr(RV?r,UE)-©_|>电压表内阻并非00或电池有内阻电动势偏小，不能测内阻两只电压表U1EU1U2-rRvU1'EU1'1rRv-无电动势无误

11、差，不能测内阻要点七、实验仪器的选择为减小误差，需要减小电压表的分流. 减本实验的系统误差来源于未计电压表的分流.小电压表分流的方法有两方面：一是选择阻值范围小的滑动变阻器，二是在满足量程要求的前提下选取内阻较大的电压表.由于选用了阻值范围小的滑动变阻器，所以电路中电流较大,因而，还需要滑动变阻器的额定电流较大.综上所述，本实验中滑动变阻器的选择原则是：阻值范围较小而额定电流较大；电压表的选择原则是：在满足量程要求的前提下选取内阻较大的；电流表的选择需根据电源电动势和选用的滑动变阻器来确定.要点诠释：(1)选取电压表、电流表时不要认为量程越大越好。应使指针偏转大一些，以减小读数时的相对误差.(

12、2)滑动变阻器的选取以调节方便为原则，既需考虑最大阻值，又要看额定电流是否符合要求.要点八、实验步骤1、电流表用0.6A量程，电压表用3V量程，按图连接好电路。2、把变阻器的滑动片移动到一端使阻值最大。I、U )。用同样方3、闭合电键，调节变阻器，使电流表有明显示数，记录一组数据(法测量几组值。4、打开电键，整理好器材。5、处理数据，用公式法和作图法两种方法求出电动势和内电阻的值。【典型例题】类型一、对实验原理的理解及实验设计例1.利用伏安法测量干电池的电动势和内阻，现有的器材为：干电池，电动势约1.5V,符号HI;电压表，量程1V,内阻998.3Q，符号。；电流表，量程1A,符号;滑动变阻器

13、，最大阻值10,符号土正；电阻箱，最大阻值99999.9符号*;单刀单掷开关1个，符号tU；导线若干.(1)设计测量电源电动势和内阻的电路并将它画在下面的虚线框内.要求在图中标出电压表、电流表的接线柱的正负.(2)为了满足本实验要求并保证实验的精确度，电压表量程应扩大为原量程的倍，电阻箱的阻值应为Q.【答案】(1)如图所示(2) 2998.3【解析】(1)因电源电动势约为1.5V,而电压表量程为1V。故电压表需串联电阻箱扩大量程；因电源内阻一般较小，为减小实验误差，电路采用电压表扩大量程后直接接在电源两端，即电流表外接法，电路图见答案.(2)因电源电动势约为1.5V,故电压表量程扩大为原量程的

14、2倍，即量程为2V为一，一,11'U21宜.设电压表串联电阻为R,则RU一U上二9983U1RV998.3【总结升华】(1)测定电源电动势和内阻实验的原理和依据是闭合电路欧姆定律的实际应用，因此熟练掌握闭合电路欧姆定律是理解该实验的基础.(2)本题是同学们熟悉的伏安法测电源电动势和内电阻的实验.同学们在设计电路时不仅要考虑电流表的内外接法，更应注意因电压表量程较小，应先改装扩大量程后方能使用.题目设计巧妙、思维全面、能力要求较高.举一反三:【变式】有两只电压表3和3,量程已知，电阻未知.另有一干电池，它的内阻不能忽略，但不知等于多少，其电动势数值不超出电压表的量程，干电池不许拆开.现给

15、你上述两只电压表、一个开关S和若干导线，请设计一个测量上述干电池电动势E的实验方案.(1)画出测量电路图.(2)实验中应测定的物理量是(3)以测得的物理量为已知量，导出计算干电池电动势的公式【答案】(1)见解析 Ui, U/ , U2/(3) EU1U2'Ui Ui '【解析】(1)电路图如图所示.)EIS(2)S闭合时，©示数为U,S断开时，6)、©示数分别为UJ和(3)设&)表的内阻为Rv,由闭合电路欧姆定律UiEUiRV'EUi'U2'Ur'r.Rv解得：阻值为RV ,EUiU2'/(UiUi')

16、.【总结升华】当电压表跟其他元件串联使用时，电压表本身为一个大电阻,其示数为电压表两端的电压.本题的分析与计算正是利用了这一点.类型二、器材的选取与实物连图例2.某该同学要测量一节干电池的电动势和内阻，有以下器材可供选择：A.电流表(00.6A3A)B.电压表(。3V)C.滑动变阻器R(0i5Q,5A)D.滑动变阻器R'(0-50Q,iA)E.定值电阻R为iaF.开关S及导线若干本次实验的原理图如图，则滑动变阻器应选（填器材前的字母序号）按照原理图连接好线路后进行测量，测得数据如下表所示。待测口12345I/A0.110.200.300.400.50UV1.371.351.331.32

17、1.29由上表数据可看出，电压表示数变化不明显，试分析引起情况的原因是现将上述器材的连线略加改动就可使电压表的示数变化更明显，请在图丁中按改动后的原理图完成连线。【答案】G电池内阻过小、实物图连线见解析【解析】该实验中电流不能超过0.6A,所以滑动变阻器选C;由表中数据可知路端电压变化很小且接近电源电动势，说明电源的内阻过小，只要将定值电阻R看做电源的内阻，就可使路端电压变化范围较大，实物图连线如下图所示。【总结升华】（1）实验器材的选取应遵循安全、精确和操作方便的原则.本实验的误差主要来自电压表的分流.因此本实验中滑动变阻器的选择原则是：阻值范围较小而额定电流较大；电压表的选择原则是：在满足

18、量程要求的前提下选取内阻较大的；电流表的选择需根据电源和选用的滑动变阻器来确定.（2）连接实物电路图时，要注意以下几点：先画出电路图，这是连接实物图的依据。先连接干路，再连接支路.注意电源的正负极，电表的正负接线柱，电表量程的选择以及滑动变阻器接线柱的合理选用.注意连线不能交叉，开关要能够控制整个电路.举一反三：【变式1】用电流表和电压表测定电池的电动势和内电阻的实验中，所用电流表和电压表的内电阻分别为0.1。和1kQ,如图所示为所需的器材。（1）请你把它们连成实验电路，注意两个电表要选用适当量程，并要求变阻器的滑动片在左端时其电阻值最大。【答案】（1）见下图 （2） E测1.47V, r 0

19、,7 Q（2）一位同学记录的6组数据见下表，试根据这些数据在图中画出U-I图线，根据图线求出电池的电动势EV，内阻rI/A0.120.200.310.320.500.57U/V1.371.321.241.181.191.05【变式2】测量电源B的电动势E及内阻r（E约为4.5V,r约为1.5Q）。器材：量程3V的理想电压表©,量程0.5A的电流表（具有一定内阻），定值电阻R4Q,滑线变阻器R,电键K,导线若干。画出实验电路原理图。图中各元件需用题目中给出的符号或字母标出。|_实验中，当电流表读数为I1时，电压表读数为U1；当电流表读数为I2时，电压表读数为U2。则可以求出E,r。（用

20、I1,I2,U1,U2及R表示）【答案】见图EU1I2U2I1rU1U2RI2I1I2I1【变式3】某研究性学习小组利用如图1所示电路测量电池组的电动势E和内阻r。1根据实验数据绘出如下图2所本的R1图线，其中R为电阻箱读数，I为电流表读数，由此可以得到EV,r。图1【答案】2.9 3.1 0.9类型三、数据处理与误差分析例3.用电流表和电压表测定电池的电动势 同学测得的6组数据如下表所示.图2E和内电阻r ,所用电路如图甲所示，一位(2)根据图线求出电池的电动势 EV,电池的内电阻 r组别123456电流I/A0.120.200.310.320.500.57电压U/V1.371.321.24

21、1.181.101.05(1)试根据这些数据在图乙中作出UI图线.©-I<Etr$甲(3)若一位同学未画出图线，只选用其中两组U和I数据，可禾J用公式EU卜，算出E和r,这样做可能得出误差较大的结果.选用第组和第组数据，求得E、r的误差最大.【答案】(1)见解析(2)1.460.71(3)34【解析】本题主要考查用作图法处理实验数据.(1)作图时先建立坐标系，建立坐标系时纵轴的电压应从1.00V开始取点，再进行描点，然后连线.在连线时发现坐标(0.32,1.18)显然不在直线上，所以应将此点舍掉.连线如图所示.(2)连成线后，将线延长分别与两坐标轴相交，在纵轴的截距为1.46V

22、,此即为电动势.再利用点(0.12,1.37)和点(0.57,1.05)可求出这条直线的斜率的绝对值.1.37 1.050.12 0.570.71 Q。(3)选用第3组和第4组数据求得的结果误差最大.由图知，当过第3组和第4组数据作直线时，此直线与原直线偏离最大，因此误差最大.【总结升华】(1)作图线时，应让尽量多的点落在直线上，个别误差大的点要舍去(例如本图中的第4个点).(2)为有效利用坐标纸的空间，纵坐标可以不从零开始，这样描出的点分布区域较大，既方便作图，又可以提高数据处理和测量结果的准确性.(3)纵坐标不从零开始时，求直线的斜率时要用rU|,而不用r,，因为此时，所用的实验器材有直线

23、与横轴交点不表示短路电流.例4.利用如图甲所示电路，可以测量电源的电动势和内阻待测电源，电阻箱R(最大阻值999.9),电阻R(阻值为3.0Q),电阻R(阻值为3.0Q),电流表0(量程为200mA,内阻为R=6.0Q),开关S。实验步骤如下：将电阻箱阻值调到最大，闭合开关S;多次调节电阻箱，记下电流表的示数I和电阻箱相应的阻值R以1为纵坐标,R为横坐标，作1R图线(用直线拟合)；II求出直线的斜率k和在纵轴上的截距bo回答下列问题：1(1)分别用E和r表示电源的电动势和内阻,则1与R的关系式为I(2)实验得到的部分数据如下表所示，其中电阻R=3.0Q时电流表的示数如图乙所示，读出数据，完成下

24、表。答：,。R/Q1.02.03.04.05.06.07.0I/A0.1430.1250.1000.0910.0840.077I-1/A-16.998.0010.011.011.913.0(3)在图丙的坐标纸上将所缺数据点补充完整并作图,根据图线求得斜率k=A-1Q-1,截距b=A1。(4)根据图线求得电源电动势E=V,内阻r=Q。【答案】(1)1-R152IEE(2)0.110,9.09。(3)图见解析；1.0(0.96-1.04之间)；6.0(5.9-6.1之间)(4)3.0(2.7-3.3之间)；1.0(0.6-1.4之间)【解析】(1)由于电流表OA与电阻R并联，且RA=6.0Q,R=3