第十章 实验十一 测量电源的电动势和内阻（教师用书word）-【步步高】2024年高考物理大一轮复习讲义（津鲁琼辽鄂粤冀渝湘晋皖黑吉云豫新赣甘贵桂）

实验十一　测量电源的电动势和内阻 目标要求　1.理解测量电源电动势和内阻的实验原理——闭合电路欧姆定律.2.掌握用电流表和电压表测定电源的电动势和内阻的方法.3.掌握实物图连接的技巧.4.会用图像处理实验数据． 考点一　伏安法测电源的电动势和内阻 1．实验原理 闭合电路欧姆定律． 2．实验器材 干电池、电压表、电流表、滑动变阻器、开关、导线、坐标纸和刻度尺． 3．实验步骤 (1)电流表用0.6 A的量程，电压表用3 V的量程，按图连接好电路． (2)把滑动变阻器的滑片移到接入电路阻值最大的一端． (3)闭合开关，调节滑动变阻器，使电流表有明显示数并记录一组数据(I1，U1)．用同样的方法再测量几组I、U值，填入表格中． (4)断开开关，拆除电路，整理好器材． 4．实验数据处理 (1)列方程组，解出E、r，并多次测量求平均值． (2)用作图法处理数据，如图所示． ①图线与纵轴交点为电源电动势E； ②图线斜率的绝对值为内阻r. 5．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U－I图像时描点不准确． (2)系统误差： ①若采用甲图电路 方法a　电压表的分流作用造成误差，电压值越大，电压表的分流越多，对应的I真与I测的差越大，IV＝.其中U－I图像如图乙所示． 结论：E测<E真，r测<r真． 方法b　等效电源法 如图甲所示，E测＝E真<E真，r测＝<r真． ②若采用丙图电路 方法a　电流表的分压作用造成误差，电流越大，电流表分压越多，对应U真与U测的差越大，UA＝I·RA.其中U－I图像如图丁所示． 结论：E测＝E真，r测>r真． 方法b　等效电源法 如图丙所示，E测＝E真，r测＝r＋RA>r真． (3)电路选择： ①电源内阻一般较小，选图甲电路误差较小． ②当内阻已知时选图丙电路，此时r＝k－RA，没有系统误差． 6．注意事项 (1)为了使路端电压变化明显，可使用内阻较大的旧电池． (2)电流不要过大，应小于0.5 A，读数要快． (3)要测出不少于6组的(I，U)数据，变化范围要大些． (4)若U－I图线纵轴刻度不从零开始，则图线和横轴的交点不再是短路电流，内阻应根据r＝||确定． 例1　(2020·山东卷·14)实验方案对实验测量的精度有直接的影响，某学习小组对“测量电源的电动势和内阻”的实验方案进行了探究．实验室提供的器材有： 干电池一节(电动势约1.5 V，内阻小于1 Ω)； 电压表V(量程3 V，内阻约3 kΩ)； 电流表A(量程0.6 A，内阻约1 Ω)； 滑动变阻器R(最大阻值为20 Ω)； 定值电阻R1(阻值2 Ω)； 定值电阻R2(阻值5 Ω)； 开关一个，导线若干． (1)该小组按照图甲所示的电路进行实验，通过调节滑动变阻器阻值使电流表示数逐渐接近满偏，记录此过程中电压表和电流表的示数，利用实验数据在U－I坐标纸上描点，如图乙所示，结果发现电压表示数的变化范围比较小，出现该现象的主要原因是________．(单选，填正确答案标号) A．电压表分流 B．干电池内阻较小 C．滑动变阻器最大阻值较小 D．电流表内阻较小 (2)针对电压表示数的变化范围比较小的问题，该小组利用实验室提供的器材改进了实验方案，重新测量得到的数据如下表所示． 序号 1 2 3 4 5 6 7 I/A 0.08 0.14 0.20 0.26 0.32 0.36 0.40 U/V 1.35 1.20 1.05 0.88 0.73 0.71 0.52 请根据实验数据，回答以下问题： ①图丙中已标出后3组数据对应的坐标点，请标出前4组数据对应的坐标点并画出U－I图像． ②根据实验数据可知，所选的定值电阻为________(填“R1”或“R2”)． ③用笔画线代替导线，请按照改进后的方案，将图丁所示实物图连接成完整电路． 答案　(1)B　(2)①见解析图(a)　②R1 ③见解析图(c) 解析　(1)电压表示数的变化范围小，原因是外电阻的阻值远大于电源内阻，选项B正确． (2)①根据数据描点并连成一条直线，如图(a)所示． ②由图像可知E＝1.55 V，U＝0时I＝0.59 A，故r′＝≈2.63 Ω，由于2 Ω<r′<5 Ω， 又r′＝r＋R(r为电源内阻，R为定值电阻)， 故定值电阻只能是R1. ③先画出原理图，如图(b)，然后依据原理图将各仪器依次连接起来，如图(c)． 例2　(2023·湖南省长郡中学月考)某同学要测量“水果电池”的电动势和内阻，提供下列仪器： A．待测“水果电池”(电动势E约为4 V，内阻r约为200 Ω) B．毫安表A(量程5 mA，内阻为RA＝60 Ω) C．电压表V(量程U0＝4 V，内阻约5 kΩ) D．电阻箱R1(0～999.9 Ω) E．滑动变阻器R(0～1 000 Ω) F．开关、导线若干． (1)由于毫安表的量程太小，该同学用电阻箱R1与毫安表A并联，可使其量程扩大，取R1＝RA，则改装后的电流表量程为毫安表满偏电流的________倍； (2)用改装后的电流表完成实验，应该选择的实验电路是图中的________(选填“甲”或“乙”)； (3)根据实验数据画出U－I图线，如图所示．由图线可得，“水果电池”的电动势E＝____ V，内电阻r＝________ Ω.(保留三位有效数字) 答案　(1)5　(2)乙　(3)3.80　175 解析　(1)设毫安表电流为IA，由并联电路的规律可得IARA＝(I－IA)R1，解得I＝5IA，因此改装后的电流表量程为毫安表满偏电流的5倍； (2)由于电流表内阻已知，因此采用题图乙电路可以避免电流表分压的误差，故选乙电路． (3)改装后电流表的内阻为RA′＝＝ Ω＝12 Ω，则由闭合电路欧姆定律可得E＝Ir＋IRA′＋U，转化可得U＝－(r＋RA′)I＋E 由U－I图像可得b＝E＝3.80 V，|k|＝|－(r＋RA′)|＝ Ω，解得E＝3.80 Ω，r＝175 Ω. 考点二　安阻法测电动势和内阻 1．实验原理 闭合电路的欧姆定律E＝IR＋Ir，电路图如图所示． 2．实验器材 电池、电流表、电阻箱、开关、导线、坐标纸和刻度尺． 3．数据处理 (1)计算法：由 解方程组求得E、r. (2)图像法：由E＝I(R＋r)可得 ①＝R＋，可作－R图像(如图甲) －R图像的斜率k＝，纵轴截距为 ②R＝E·－r，可作R－图像(如图乙) R－图像的斜率k＝E，纵轴截距为－r. 4．误差分析 (1)误差来源：电流表有电阻，导致内阻测量不准确； (2)结论：E测＝E真，r测＞r真(r测＝r真＋rA)． 例3　某物理兴趣小组要测量一电池组的电动势和内阻，实验室提供下列仪器： A．电池组(电动势约为3 V，内阻约为10 Ω) B．电压表V(量程0～15.0 V，内阻约为3 000 Ω) C．电流表A(量程为0～2 mA，内阻RA＝12 Ω) D．定值电阻R0＝6 Ω E．电阻箱R1(0～999 Ω，0～1.0 A) F．滑动变阻器R2(0～2 000 Ω，0～1.0 A) G．导线及开关 (1)同学们根据提供的器材，设计了如图甲所示的(a)、(b)两种测量电路，经讨论后认为(a)测量电路不合理，应选(b)测量电路．请说明(a)测量电路不合理的原因：_________________. (2)请在图乙中按照(b)电路图连接测量电路． (3)连接好电路后进行实验，调节电阻箱R1，记录下各仪器的读数．若某次实验时电阻箱旋钮及电流表指针如图丙所示，则此时电阻箱的阻值为________ Ω，通过电阻箱的电流大小为________ mA. (4)设电源的电动势为E，内阻为r，改装后电流表内阻为Rg，某次实验中电阻箱的阻值为R1，电流表的读数为I，则电源电动势的表达式为E＝______________.(用I、R1、Rg、r表示) (5)将测量数据的单位统一成国际单位，根据记录数据作出如图丁所示的图像，若测得图线纵轴截距为13.5，图线斜率为0.94，则电池组电动势E＝________ V，内阻r＝__________ Ω.(结果均保留到小数点后一位) (6)误差分析：(b)测量电路设计方案及上述数据处理方法使电源电动势测量值__________(选填“偏大”“偏小”或“不受影响”)． 答案　(1)见解析　(2)见解析图 (3)875　3.6　(4)3I(R1＋Rg＋r) (5)3.2　10.4　(6)不受影响 解析　(1)由于电流表量程较小，若直接测量干路中电流，则测量数据范围太小，测量误差较大，故(a)测量电路不合理； (2)按照电路图连接 ，如图； (3)如图丙电阻箱读数为875 Ω；电流表读数为1.2 mA，电流表扩大量程后Imax＝Ig(1＋)＝6 mA，故电流表量程扩大3倍，故通过电阻箱的电流大小为3.6 mA； (4)改装后电流表内阻Rg＝＝4 Ω，改装后电流表量程变为原来的3倍，故实际电流值为3I，根据闭合电路欧姆定律有E＝3I(R1＋Rg＋r)； (5)由上述可知＝R1＋ 则＝13.5 A－1，＝0.94 A－1·Ω－1， 解得E＝3.2 V，r＝10.4 Ω； (6)由于改装后电流表测量的是干路电流的真实值，故求得的电源电动势也是真实值，故不受影响． 考点三　伏阻法测电动势和内阻 1．实验原理 闭合电路欧姆定律E＝U＋r，电路图如图所示． 2．实验器材 电池、电压表、电阻箱、开关、导线、坐标纸和刻度尺． 3．数据处理 (1)计算法：由 解方程组可求得E和r. (2)图像法：由E＝U＋r得：＝＋·.故－图像的斜率k＝，纵轴截距为，如图． 4．误差分析 (1)误差来源：电压表有内阻，干路电流表达式不准确，导致电动势测量不准确； (2)结论：E测＜E真，r测＜r真． 例4　(2021·全国乙卷·23)一实验小组利用图(a)所示的电路测量一电池的电动势E(约1.5 V)和内阻r(小于2 Ω)．图中电压表量程为1 V，内阻RV＝380.0 Ω；定值电阻R0＝20.0 Ω；电阻箱R最大阻值为999.9 Ω；S为开关．按电路图连接电路．完成下列填空： (1)为保护电压表，闭合开关前，电阻箱接入电路的电阻值可以选________Ω(填“5.0”或“15.0”)； (2)闭合开关，多次调节电阻箱，记录下阻值R和电压表的相应读数U； (3)根据图(a)所示电路，用R、R0、RV、E和r表示，得＝________； (4)利用测量数据，作－R图线，如图(b)所示： (5)通过图(b)可得E＝________V(保留2位小数)，r＝________Ω(保留1位小数)； (6)若将图(a)中的电压表当成理想电表，得到的电源电动势为E′，由此产生的误差为×100%＝________%. 答案　(1)15.0 (3)·R＋＋ (5)1.55　1.0　(6)5 解析　(1)为了避免电压表被烧坏，接通电路时电压表两端的电压不能比电压表满偏电压大，当电压表满偏时有＝ 代入数据解得R＋r＝9.5 Ω，故R>7.5 Ω 因此电阻箱接入电路的电阻值选15.0 Ω. (3)由闭合电路的欧姆定律可得 E＝U＋(R＋r) 化简可得＝·R＋＋r (5)由上面公式可得＝k＝， ＋r＝b＝＋ 由－R图像计算可得k≈0.034 V－1·Ω－1 延长图线，得到图线与纵轴的交点为0.85 V－1，则有0.85 V－1＝＋＋(V－1) 代入可得E≈1.55 V，r≈1.0 Ω. (6)如果电压表为理想电压表，则有 ＝＋＋R 则此时E′＝ 因此误差为×100%＝5%. 课时精练 1．(2023·山东济南市模拟)某实验小组利用电流表和电压表测定一节干电池的电动势和内阻，实验器材如下： 干电池一节(电动势约为1.5 V，内阻约为0.5 Ω)； 电压表V(量程为0～3 V，内阻约为3 kΩ)； 电流表A(量程为0～0.6 A，内阻约为0.2 Ω)； 滑动变阻器(最大阻值为20 Ω)； 开关、导线若干． (1)实验电路图选择________(选填“甲”或“乙”)． (2)用笔画线代替导线，将图中的器材连成实验电路． (3)完成实验后，某同学利用图像分析由电表内阻引起的实验误差．在下图中，实线是根据实验数据描点作图得到的U－I图像；虚线是该电源真实的路端电压U随真实的干路电流I变化的U－I图像．本次实验分析误差的U－I图像是________． (4)为减小电表内阻引起的实验误差，在电表量程不变的情况下，可以采取的措施是________． A．换用内阻更小的电流表 B．换用内阻更大的电流表 C．换用内阻更小的电压表 D．换用内阻更大的电压表 答案　(1)甲　(2)见解析图　(3)A　(4)D 解析　(1)因为电源内阻较小，接近电流表内阻，为了减小误差，所以电流表采用相对电源外接，选择甲图； (2)根据电路图得实物连接图如图所示； (3)由于电压表的分流作用，相同的路端电压下，电流表测量的电流值小于流过电源的电流，内阻的测量值为电源和电压表并联后的总电阻，比实际电源的内阻小，对应实线斜率的绝对值比虚线的小，但当电压为零时，电压表的内阻对测量没有影响，实线和虚线重合，故A正确，B、C、D错误； (4)因为电压表的分流作用产生的误差，为减小电表内阻引起的实验误差，在电表量程不变的情况下，可以采取的措施是增大电压表的内阻，故D正确，A、B、C错误． 2．(2021·天津卷·10)随着智能手机的广泛应用，充电宝成为手机及时充电的一种重要选择．充电宝可以视为与电池一样的直流电源．一充电宝的电动势约为5 V，内阻很小，最大放电电流为2 A，某实验小组测定它的电动势和内阻．他们剥开充电宝连接线的外绝缘层，里面有四根导线，红导线为充电宝的正极，黑导线为充电宝的负极，其余两根导线空置不用，另有滑动变阻器R用于改变电路中的电流，定值电阻R0＝3 Ω，两只数字多用电表M、N，两表均为理想电表，并与开关S连成如图所示电路． (1)图中测量电流的电表是________，测量电压的电表是________．(均填写字母“M”或“N”) (2)调节滑动变阻器，测得多组I、U数据，记录如下表，其中只有一个数据记录有误，审视记录的数据，可以发现表中第________次的记录数据有误．(填测量次数的序号) 次数 1 2 3 4 5 6 7 电流I/A 0.299 0.477 0.684 0.877 1.065 1.281 1.516 电压U/V 4.970 4.952 4.932 4.942 4.894 4.872 4.848 (3)电路中接入R0可以达到下列哪个效果______．(填选项前的字母) A．使测电流的电表读数变化明显 B．为了更准确地测量充电宝内阻 C．避免使充电宝的放电电流过大 D．减小测量电压的电表分流作用 答案　(1)N　M　(2)4　(3)C 解析　(1)电表N串联在电路中，测量干路电流，所以N为电流表；电表M一端接在开关上，另一端接在充电宝的负极，闭合开关后相当于并联在电源两端，所以M为电压表，测量路端电压； (2)题中表格中的电流I不断增大，根据闭合电路欧姆定律E＝U＋Ir可知路端电压U不断减小，电压表的示数不断减小，所以第4次的记录数据有误； (3)因为充电宝的内阻很小，所以电阻R0串联在电路中，起保护电路的作用，避免使充电宝的放电电流过大损坏电路中的器件．故选C. 3．为了同时测量一电源的电动势E和内阻r，以及未知阻值的电阻Rx，某同学设计了一电路．实验室提供的器材如下：待测电源、待测电阻、电阻箱一个、内阻很大的电压表一只、开关两个、导线若干． (1)为实现上述目的，请完善图甲实物图连接； (2)该同学实验的主要步骤有： ①闭合S1、S2，多次调节电阻箱阻值，并记录其阻值及对应的电压表的示数； ②保持S1闭合，断开S2，多次调节电阻箱阻值，并记录其阻值及对应的电压表的示数； ③根据记录的数据，作出两条－图线如图乙所示． 由图线可得电动势E＝________，内阻r＝________，Rx＝________.(均用图中的字母a、b、c表示) 答案　(1)见解析图(b)　(2)　　－ 解析　(1)通过开关S2控制电路中的电阻Rx是否接入电路，电路原理图如图(a)所示： 故实物连线图如图(b)所示： (2)闭合S1、S2，有E＝U＋r，故有＝＋·；保持S1闭合，断开S2，有E＝U＋(r＋Rx)， 故有＝＋·； 结合－图像可知，＝c，＝，＝， 解得：E＝，r＝，Rx＝－. 4．利用如图(a)所示电路，可以测量电源的电动势和内阻，所用的实验器材有： 待测电源，电阻箱R(最大阻值999.9 Ω)，电阻R0(阻值为3.0 Ω)，电阻R1(阻值为3.0 Ω)，电流表(量程为200 mA，内阻为RA＝6.0 Ω)，开关S. 实验步骤如下： ①将电阻箱阻值调到最大，闭合开关S； ②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； ③以为纵坐标，R为横坐标，作－R图线(用直线拟合)； ④求出直线的斜率k和在纵轴上的截距b. 回答下列问题： (1)分别用E和r表示电源的电动势和内阻，则与R的关系式为________________． (2)实验得到的部分数据如下表所示，其中电阻R＝3.0 Ω时，电流表的示数如图(b)所示，读出数据，完成下表．答：①________，②________. R/Ω 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 I/A 0.143 0.125 ① 0.100 0.091 0.084 /A－1 6.99 8.00 ② 10.0 11.0 11.9 (3)在图(c)的坐标纸上描点并作图，根据图线求得斜率k＝______ A－1·Ω－1，截距b＝________ A－1. (4)根据图线求得电源电动势E＝________ V，内阻r＝________ Ω. 答案　(1)＝R＋　(2)0.110　9.09　(3)见解析图　1.0(0.96～1.04均可)　6.0(5.9～6.1均可)　(4)3.0(2.9～3.1均可)　1.0(0.7～1.3均可) 解析　(1)根据闭合电路欧姆定律有 E＝(＋I)(R＋R0＋r)＋IRA， 代入数据，化简得＝R＋. (2)电流表每小格表示4 mA，因此电流表读数I＝0.110 A，≈9.09 A－1. (3)在坐标纸上描点，画出一条直线，得出斜率k＝1.0 A－1·Ω－1，截距b＝6.0 A－1. (4)斜率k＝，因此E＝3.0 V，纵轴截距b＝，因此 r＝1.0 Ω. 学科网（北京）股份有限公司 $$