2018-2019学年高中物理沪科版选修3-1（课件+教师用书）第4章 4.2　测量电源的电动势和内阻 (2份打包)

4.2　测量电源的电动势和内阻 [学习目标]　1.掌握测量电源电动势和内阻的实验原理、实验电路和实验方法．　2.学会用图像法处理实验数据，探究误差产生的原因和减小误差的方法． [知识探究] 一、实验原理和方法 1．公式法：如图4­2­1所示，由闭合电路的欧姆定律得E＝U＋Ir. 图4­2­1 改变变阻器的阻值，从电流表、电压表中读出几组U和I值，组成方程组可求解E、r. 2．图像法：利用U＝E－Ir，建立U­I图像，根据测得数据描点画图，利用图线截距、斜率的意义求E、r. 二、实验器材 待测电池，电压表(0～3 V)，电流表(0～0.6 A)，滑动变阻器(10 Ω)，开关，导线． 三、实验步骤 1．确定电流表、电压表的量程，按图4­2­2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为最大值的一端． 图4­2­2 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．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．以U为纵轴，I为横轴，将记录的电压、电流标在坐标图上，过这些点作一条直线，根据纵轴截距求出电动势，根据斜率大小求出内电阻． 四、数据处理 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 利用依次记录的多组数据(一般6组)，分别记录且如表所示： 实验序号 1 2 3 4 5 6 I/A I1 I2 I3 I4 I5 I6 U外/V U1 U2 U3 U4 U5 U6 分别将1、4组，2、5组，3、6组联立方程组解出E1、r1，E2、r2，E3、r3，求出它们的平均值 E＝作为测量结果． ，r＝ 2．图像法 把测出的多组U、I值，在U­I图中描点画图像，使U­I图像的直线经过大多数坐标点或使各坐标点大致分布在直线的两侧，如图4­2­3所示，由U＝E－Ir可知： 图4­2­3 (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Im＝. (2)直线斜率的绝对值等于电源的内阻，即r＝|. |＝ (3)若电源内阻r＝0(理想电源)，则U＝E. 五、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图像时描点不准确． 2.系统误差：主要原因是未考虑电压表的分流作用，使得电流表上读出的数值比实际的总电流(即流过电源的电流)要小一些．U越大，电流表的读数与总电流的偏差就越大，将测量结果与真实情况在U­I坐标系中表示出来，如图4­2­4所示，可见E测<E真，r测<r真． 图4­2­4 六、注意事项 1．器材或量程的选择 (1)电池：为了使路端电压变化明显，电池的内阻宜大些，可选用已使用过一段时间的1号干电池． (2)电压表的量程：实验用的是一节干电池，因此电压表量程在大于1.5 V的前提下，越小越好，实验室中一般采用量程为0～3V的电压表． (3)电流表的量程：对于电池来讲允许通过的电流最大为0.5 A，故电流表的量程选0～0.6A的． (4)滑动变阻器：干电池的内阻较小，为了获得变化明显的路端电压，滑动变阻器选择阻值较小一点的． 2．电路的选择 伏安法测电源电动势和内阻有两种接法，由于电流表内阻与干电池内阻接近，所以电流表应采用内接法，即一般选择误差较小的甲电路图． 甲　　　　　　　　　乙 图4­2­5 3．实验操作 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，内阻r会明显增大，故长时间放电不宜超过0.3 A，短时间放电不宜超过0.5 A．因此，实验中不要将I调得过大，读电表示数要快，每次读完后应立即断电． 4．数据处理 (1)当路端电压变化不是很明显时，作图像时，纵轴单位可以取得小一些，且纵轴起点不从零开始，把纵坐标的比例放大． (2)画U­I图像时，要使较多的点落在这条直线上或使各点均衡分布在直线的两侧，个别偏离直线太远的点可舍去不予考虑．这样，就可使偶然误差得到部分抵消，从而提高精确度． [典例剖析] 　某同学在用电流表和电压表测电池的电动势和内阻的实验中，串联了一只2.5 Ω的保护电阻R0，实验电路如图4­2­6所示． 图4­2­6 (1)连好电路后，当该同学闭合开关时，发现电流表示数为0，电压表示数不为0.检查各接线柱均未接错，接触良好且未发生短路；他用多用电表的电压挡检查电路，把两表笔分别接a、b，b、c，d、e时，示数均为0，把两表笔接c、d时，示数与电压表示数相同，由此可推断故障是________． (2)按电路原理图及用多用电表的电压挡检查电路时，把两表笔分别接c、d时的实物电路图(如图4­2­7所示)以笔画线代替导线连接起来． 图4­2­7 (3)排除故障后，该同学顺利完成实验，测定得到下列数据，根据表中数据在图4­2­8中