第2章 5 学生实验：测量电源的电动势和内阻-2021-2022学年高中物理选修3-1【名师导航】同步Word教参(教科版)

5　学生实验：测量电源的电动势和内阻 [学习目标]　1.[物理观念]知道测量电源的电动势和内阻的实验原理，进一步感受闭合电路路端电压随电流变化的关系．　2.[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． 一、实验原理 1．“伏安法”测E和r 如图所示，改变R的阻值，测量外电压U外和通过电源的电流I，由闭合电路欧姆定律建立方程组： E＝U1＋I1r① E＝U2＋I2r② 联立①②两式便可求出电源的电动势E和内阻r. 2．“安阻法”测E和r 用电流表、电阻箱测定电源的电动势和内阻时的电路图如图所示． 由E＝IR＋Ir可知，只要能得到I、R的两组数据，列出关于E、r的两个方程，就能解出E、r. 3．“伏阻法”测E和r 用电压表、电阻箱测定电源的电动势和内阻时的电路图如图所示． 由E＝U＋r知，如果能得到U、R的两组数据，列出关于E、r的两个方程，就能解出E、r. 二、实验器材(以伏安法为例) 待测电池一节，电流表(0～0.6 A)、电压表(0～3 V)各一块，滑动变阻器一只，开关一只，导线若干． 三、实验步骤 1．确定电流表、电压表的量程，按图所示电路把器材连接好，如图所示． 2．把变阻器的滑动片移到一端使电路中阻值最大． 3．闭合开关，调节变阻器，使电流表有明显示数，记录一组电流表和电压表的示数，用同样的方法测量并记录几组I和U的值．并填入下表： 实验序号 1 2 3 4 5 6 I/A U/V 4．断开开关，整理好器材． 四、数据处理 1．公式法 分别将1、4组，2、5组，3、6组联立方程组分别解出E1、r1，E2、r2，E3、r3，求出它们的平均值E＝，r＝作为测量结果． 2．图像法 把测出的多组U、I值，在U­I图中描点画图像，使U­I图像的直线经过尽可能多的坐标点并使不在直线上的各坐标点大致均匀地分布在直线的两侧，如图所示，由U＝E－Ir可知，图线与纵轴截距等于电动势E，图线斜率的绝对值等于内阻r，根据图线纵截距和斜率得出E、r. 五、注意事项 1．为使电源的路端电压有明显变化，应选取内阻较大的电源． 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，防止电源大电流放电时内阻r的明显变化． 3．当电源的路端电压变化不很明显时，作图像时，纵轴标度可取得小一些，且纵轴起点可不从零开始． 如图所示，此时图线与纵轴交点仍为电源的电动势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＝求出． 六、误差分析 1．偶然误差 产生原因 减小方法 电压表、电流表的读数 电压表、电流表指针偏角适当大些 描点时不准确，画U­I图像时不规范 多测几组数据，不在直线上的点，大致均匀分布在直线两侧．个别偏离直线较远的点不予考虑 2.系统误差 (1)电流表相对于待测电阻(电源内阻)外接． 实测的E和r都小于真实值，即E测＜E真，r测＜r真． (2)电流表相对于待测电阻(电源内阻)内接． E测＝E真，r测＞r真． 任一种电路都存在系统误差，若电源内阻较小时，不能采用图丙的测量电路，尽管电动势的测量值准确，但内阻的测量误差很大，因此要选用图甲的测量电路．但若电源内阻很大，以至于电流表内阻可以忽略，如水果电池，则需用图丙的测量电路． 【例1】　利用电流表和电压表测定一节干电池的电动势和内电阻．要求尽量减小实验误差． (1)应该选择的实验电路是图甲、图乙中的________(填“甲”或“乙”)电路图． (2)现有电流表(0～0.6 A)、开关和导线若干，以及以下器材： A．电压表(0～15 V) B．电压表(0～3 V) C．滑动变阻器(0～50 Ω) D．滑动变阻器(0～500 Ω) 实验中电压表应选用________；滑动变阻器应选用________．(选填相应器材前的字母) (3)某位同学记录的6组数据如下表所示，其中5组数据的对应点已经标在图中的坐标纸上，请标出余下一组数据的对应点，并画出U­I图线． 序号 1 2 3 4 5 6 电压U(V) 1.45 1.40 1.30 1.25 1.20 1.10 电流I(A) 0.060 0.120 0.240 0.260 0.360 0.480 (4)根据(3)中所画图线可得出干电池的电动势E＝________V，内电阻r＝________Ω. 思路点拨：①一节干电池的电动势大约为1.5 V，内阻很小． ②电源的U­I图像为一条倾斜的直线，作图时应使尽可能多的点在直线上． 解析：(1)如果用乙电路，误差来源于电流表的分压，测量时将电流表内阻当成电源内阻的一部分，而电流表内阻与电源内阻很接近，故电源内阻测量误差大；用甲电路，误