第十二章 电能 能量守恒定律 3 实验：电池电动势和内阻的测量-【金版教程】2023-2024学年新教材高中物理必修第三册创新导学案word（人教版2019）

3.实验：电池电动势和内阻的测量 1．掌握伏安法测量电池电动势和内阻的原理，会选用实验器材正确连接电路并进行实验数据处理。2.理解“伏阻法”“安阻法”测量电池电动势和内阻的原理，掌握其数据处理方法。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办法。 一　实验思路(伏安法) 如图所示电路中，E＝U＋Ir，如果能测出U、I的两组数据，就可以列出两个关于E、r的方程，从中解出E、r。然而只测量两组数据，通过联立解方程解得E和r，误差可能较大，应该多次测量，并对数据处理，才能减小误差。所以，应该使用滑动变阻器改变外电路电阻，进行多次测量。 二　实验器材 电池、开关、滑动变阻器、电压表、电流表、导线。 三　实验步骤 1．确定电流表、电压表的量程，按图连接好电路，并将滑动变阻器的滑片移到使接入电路的阻值最大的一端。 2．闭合开关S，接通电路，将滑动变阻器的滑片由一端向另一端移动，从电流表有明显读数开始，记录一组电流表、电压表读数。 3．用同样的方法，依次记录多组U、I值。 4．断开开关S，拆除电路。 5．用公式法或图像法求出电池的电动势和内阻。 探究1　测量过程·获取数据 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 活动1：本实验的研究对象是什么？研究什么？ 提示：本实验的研究对象是电源，要测出它的电动势和内阻。 活动2：本实验的原理图应是上图中的哪个？为什么不选另一个图？ 提示：本实验的原理图是图甲。尽管图甲的接法也存在误差，但是图乙测出的内阻是电源的内阻和电流表的内阻之和，而这两个内阻一般来说大小不相上下，则测出的结果没有实际价值。 活动3：本实验要获得的是什么数据？测两组数据够吗？ 提示：要通过电压表、电流表获得路端电压和电路的电流这两个数据。根据实验原理，两组数据就可以解出E、r，但误差可能很大。为了减小误差，只有两组数据还不够，还应该调节滑动变阻器获得多组数据。 活动4：本实验中有哪些注意事项？ 提示：(1)为使电池的路端电压有明显变化，应选取内阻较大的旧干电池。 (2)为了减小电压表分流带来的误差，应选内阻较大的电压表。 (3)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，防止干电池大电流放电时间过长导致内阻r发生明显变化。 (4)为了提高测量的精确度，在实验中I、U的变化范围要大一些，计算E、r时，U1和U2、I1和I2的差值要大一些。 探究2　分析数据·得出结论 活动1：本实验处理数据的方法有哪些？请详述。 提示：为减小测量误差，本实验常选用以下两种数据处理方法： (1)公式法 依次记录多组数据(一般为6组)，如表所示： 实验序号 1 2 3 4 5 6 I/A I1 I2 I3 I4 I5 I6 U/V U1 U2 U3 U4 U5 U6 分别将第1、4组，第2、5组，第3、6组联立方程解出E1、r1，E2、r2，E3、r3，分别求平均值。 (2)图像法 把测出的多组U、I值，在U­I图中描点画线，使U­I图像的直线经过大多数坐标点，不在直线上的点大致均匀分布在直线的两侧，如图甲所示。 由于电源的内阻较小，如果干电池的路端电压变化不是很明显，作图像时，纵轴标度可适当大些，且纵轴起点可不从零开始，如图乙所示。 活动2：通过分析活动1中的实验数据，你能得到什么结论？ 提示：(1)对解方程组得到的电动势和内阻分别求平均值得到E＝、r＝，就是我们要测的电源电动势和内阻。 (2)根据U＝－Ir＋E，对作出的U­I图像分析可知： ①纵轴截距等于电源的电动势E，横轴截距等于外电路短路时的电流I短＝。 ②图线斜率的绝对值等于电源的内阻r＝＝。 如果U－I图像所在坐标系，纵轴的起点不为零，此时图线与纵轴交点的纵坐标仍为电池的电动势E，但图线与横轴交点的横坐标不再是短路电流，内阻要在直线上取较远的两点，用r＝求出。 注意：此时不能用r＝来计算内阻，因为I短未知，例如图乙中的0.6 A并不是短路电流，短路电流未知。 探究3　误差分析·实验创新 1．偶然误差 (1)由于电表读数不准引起的误差。 (2)用图像法求E和r时，由于作图不准确造成的误差。(作图像时，若纵轴起点不从零开始，可以减小作图误差) 2．系统误差 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＝I＋IV，而IV＝，U越大，IV越大，它们的关系可用图表示。实测的图线为AB，经过IV修正后的图线为A′B，可看出AB的斜率绝对值和在纵轴上的截距都小于A′B，即实测的E和r都小于真实值。 3．两种电路的误差分析对比 根据等效法，将电压表或电流表看成电源的组成部分，其余部分略去不画。作出两种电路的等效电源，如图甲、乙。 (1)甲图：误差来源于电压表的分流作用。E测＝·E＜E，r测＝＜r。(从“2”中