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(通用版)2022年高考物理一輪復習 第八章 第52課時 測定電源的電動勢和內(nèi)阻(實驗增分課)講義(含解析)

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1、(通用版)2022年高考物理一輪復習 第八章 第52課時 測定電源的電動勢和內(nèi)阻(實驗增分課)講義(含解析) 一、實驗目的 1.測定電源的電動勢和內(nèi)阻。 2.加深對閉合電路歐姆定律的理解。 二、實驗原理 1.如圖甲或乙所示,改變R的阻值,從電壓表和電流表中讀出幾組I、U值,利用閉合電路的歐姆定律求出幾組E、r值,最后分別算出它們的平均值。 2.用圖像法處理數(shù)據(jù),在坐標紙上以I為橫坐標、U為縱坐標,用測出的幾組I、U值畫出U-I圖像,如圖丙所示,直線跟縱軸交點的縱坐標表示電源電動勢E的值,圖線斜率的絕對值即內(nèi)阻r的值。 三、實驗器材 電池、電壓表、電流表、滑動變阻器、開關、導

2、線、坐標紙和刻度尺。 謹記部分器材用途 電壓表、電流表 測定路端電壓和電路中電流 滑動變阻器 改變電路中的電流和路端電壓 刻度尺 畫出UI圖線   四、實驗步驟 1.電流表用0.6 A量程,電壓表用3 V量程,按實驗原理圖甲或乙連接好電路。 2.把滑動變阻器的滑片移動到接入電路阻值最大的一端。 3.閉合開關,調(diào)節(jié)滑動變阻器,使電流表有明顯示數(shù)并記錄一組數(shù)據(jù)(I1,U1),用同樣方法測量出6組I、U的值。填入表格中。 第1組 第2組 第3組 第4組 第5組 第6組 U/V I/A 4.斷開開關,拆除電路

3、,整理好器材。 五、數(shù)據(jù)處理 1.公式法 將6組對應的U、I數(shù)據(jù)代入關系式:U1=E-I1r、U2=E-I2r、U3=E-I3r、…,讓第1式和第4式聯(lián)立方程,第2式和第5式聯(lián)立方程,第3式和第6式聯(lián)立方程,這樣解得三組E、r,取其平均值作為電源的電動勢E和內(nèi)阻r。 2.圖像法 在坐標紙上以路端電壓U為縱軸、干路電流I為橫軸建立UI坐標系,在坐標系內(nèi)描出各組(I,U)值所對應的點,然后作一條使落在線上的點盡量多的直線,不在直線上的點大致均勻分布在直線兩側,則直線與縱軸交點的縱坐標值即為電源電動勢的大小(一次函數(shù)的縱軸截距),直線的斜率絕對值即為電源的內(nèi)阻r,即r=。 六、誤差分析

4、 1.偶然誤差 (1)由于讀數(shù)不準和電表線性不良引起誤差。 (2)用圖像法求E和r時,由于作圖不準確造成誤差。 (3)實驗時通電時間過長或電流過大,都會引起E、r變化。 2.系統(tǒng)誤差 (1)若采用圖甲電路,由于電壓表的分流作用造成誤差,電壓值越大,電壓表的分流越多,對應的I真與I測的差值越大。其U-I圖像如圖丁所示。 結論:E測r真。 七、注意事項 1.為了使電池的路端電壓變化明顯,

5、應選內(nèi)阻大些的電池(選用已使用過一段時間的干電池)。 2.在實驗中不要將I調(diào)得過大,每次讀完U和I的數(shù)據(jù)后應立即斷開電源,以免干電池在大電流放電時極化現(xiàn)象嚴重,使得E和r明顯變化。 3.要測出不少于6組的(I,U)數(shù)據(jù),且變化范圍要大些。 4.畫U-I圖線時,縱軸的刻度可以不從零開始,而是根據(jù)測得的數(shù)據(jù)從某一恰當值開始(橫坐標I必須從零開始)。但這時圖線與橫軸交點的橫坐標值不再是短路電流,而圖線與縱軸交點的縱坐標值仍為電源電動勢,圖線斜率的絕對值仍為內(nèi)阻。 考法一 實驗原理和操作 1.某興趣小組探究用不同方法測定干電池的電動勢和內(nèi)阻,他們提出的實驗方案中有如下四種器材組合。為使實

6、驗結果盡可能準確,最不可取的一組器材是(  ) A.一個電流表、一個電壓表和一個滑動變阻器 B.一個電壓表和多個定值電阻 C.一個電流表和一個電阻箱 D.兩個電流表和一個滑動變阻器 解析:選D 由E=U+Ir、E=IR+Ir、E=U+r知,要測量E和r,需要測出多組U、I或I、R或U、R值,選項A、B、C均可滿足測量需要,選項D中R無法測出,最不可取。 2.在測一節(jié)干電池(電動勢約為1.5 V,內(nèi)阻約為2 Ω)的電動勢和內(nèi)阻的實驗中,電壓表和滑動變阻器各有兩個供選擇: A.電壓表量程為15 V B.電壓表量程為3 V C.滑動變阻器為0~20 Ω,3 A D.滑動變阻器為0

7、~500 Ω,0.2 A 電壓表應該選________(填“A”或“B”),這是因為________________________。 滑動變阻器應該選________(填“C”或“D”),這是因為___________________________ ________________________________。 解析:待測干電池電動勢約為1.5 V,而A電壓表量程為15 V,若用A則很難精確讀數(shù),誤差太大,故電壓表應該選B;D滑動變阻器阻值范圍太大而且額定電流過小,調(diào)節(jié)不方便,故滑動變阻器應該選C。 答案:B A電壓表量程過大,讀數(shù)誤差較大 C D滑動變阻器阻值范圍太大而且額

8、定電流過小,調(diào)節(jié)不方便 電學實驗器材的選取必須考慮安全性、準確性,以及易操作性。具體以電表來說就是,量程足夠或為了減小誤差允許量程稍微偏小一些,而相同量程的電壓表內(nèi)阻越大或電流表內(nèi)阻越小時越接近理想電表。   考法二 數(shù)據(jù)處理和誤差分析 3.在“測定電源的電動勢和內(nèi)阻”的實驗中: (1)按圖甲所示的實驗電路,用筆畫線代替導線把圖乙中的實物電路連接完整。 (2)圖丙是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出的UI圖像,由圖可知,電源的電動勢E=________V,內(nèi)阻r=________Ω。 解析:(1)實物電路圖如圖所示。 (2)由題圖丙可知,電源的UI圖像與縱軸交點的縱坐標值是1.5,則

9、電源電動勢E=1.5 V,電源內(nèi)阻r==Ω=1 Ω。 答案:(1)見解析圖 (2)1.5 1 4.要精確測量一個直流電源的電動勢和內(nèi)阻,有下列實驗器材可供選擇: A.待測電源(電動勢約為4.5 V,內(nèi)阻約為2 Ω) B.電流表A1(量程為0.6 A,內(nèi)阻為1 Ω) C.電壓表V1(量程為15 V,內(nèi)阻為3 kΩ) D.電壓表V2(量程為3 V,內(nèi)阻為2 kΩ) E.定值電阻R1=500 Ω F.定值電阻R2=1 000 Ω G.滑動變阻器R(阻值范圍為0~20 Ω) H.開關及導線若干 (1)該實驗中電壓表應選________,定值電阻應選________(均選填器材前面

10、的序號)。 (2)在方框中畫出實驗電路圖。 (3)若將滑動變阻器滑到某一位置,讀出此時電壓表讀數(shù)為U,電流表讀數(shù)為I,從理論上分析,電源電動勢E和內(nèi)阻r間的關系式應為E=________________。 解析:(1)待測電源的電動勢約為4.5 V,用量程為15 V的電壓表V1讀數(shù)誤差大,選用量程為3 V的電壓表V2,需串聯(lián)電阻擴大量程,串聯(lián)的定值電阻R=RV=1 000 Ω。故電壓表應選D,定值電阻應選F。 (2)如圖所示。 (3)由(1)中電壓表量程擴大方法知,電壓表讀數(shù)為U時,路端電壓為U,由閉合電路的歐姆定律,對甲圖,有E=U+(1+r)I,對乙圖,有E=U+r。

11、 答案:(1)D F (2)見解析圖 (3)U+(1+r)I或U+r 5.某同學利用理想電壓表和電阻箱測定干電池的電動勢和內(nèi)阻,使用的器材還包括定值電阻(R0=5 Ω)一個,開關兩個,導線若干,實驗原理圖如圖甲。 (1)在圖乙的實物圖中,已正確連接了部分電路,請完成余下電路的連接。 (2)請完成下列主要實驗步驟: ①檢查并調(diào)節(jié)電壓表指針指零;調(diào)節(jié)電阻箱,示數(shù)如圖丙所示,讀得電阻值是________; ②將開關S1閉合,開關S2斷開,電壓表的示數(shù)是1.49 V; ③將開關S2________,電壓表的示數(shù)是1.16 V;斷開開關S1。 (3)使用測得的數(shù)據(jù),計算出干電池的內(nèi)阻

12、是________(計算結果保留兩位有效數(shù)字)。 解析:(1)如圖所示。 (2)①由題圖丙讀得電阻箱阻值為R=20 Ω;②將S1閉合、S2斷開,電壓表示數(shù)為電源電動勢E=1.49 V;③將S2閉合,電壓表示數(shù)1.16 V為R兩端電壓。 (3)因電壓表為理想電表,則干路電流I== A=0.058 A。因為I=,所以r=-R0-R=Ω≈0.69 Ω。 答案:(1)見解析圖 (2)①20 Ω?、坶]合 (3)0.69 Ω [例1] (2018·江蘇高考)一同學測量某干電池的電動勢和內(nèi)阻。 (1)圖1所示是該同學正準備接入最后一根導線(圖中虛線所示)時的實驗電路。請指出圖中在器材操作

13、上存在的兩個不妥之處。 (2)實驗測得的電阻箱阻值R和電流表示數(shù)I,以及計算的數(shù)據(jù)見下表: R/Ω 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 I/A 0.15 0.17 0.19 0.22 0.26 /A-1 6.7 5.9 5.3 4.5 3.8 根據(jù)表中數(shù)據(jù),在圖2方格紙上作出R-關系圖像。 由圖像可計算出該干電池的電動勢為________V;內(nèi)阻為________Ω。 (3)為了得到更準確的測量結果,在測出上述數(shù)據(jù)后,該同學將一只量程為100 mV的電壓表并聯(lián)在電流表的兩端。調(diào)節(jié)電阻箱,當電流表的示數(shù)為0.33 A時,電壓表的指針位置如圖

14、3所示,則該干電池的電動勢應為________V;內(nèi)阻應為________Ω。 [三步化“新”為“熟”] 1.本題實驗目的是測定電池的電動勢和內(nèi)阻。 2.根據(jù)閉合電路歐姆定律E=IR+Ir,推導出R=E·-r,畫出R圖像,則圖線的斜率為電動勢E,縱軸截距的絕對值為內(nèi)阻r。 3.通過電阻箱改變R,測出每一個電阻值對應的電流I,并取倒數(shù),在坐標紙上建立R坐標,描點并畫出圖像。 [解析] (1)在電學實驗中,連接電路時應將開關斷開,電阻箱的阻值調(diào)為最大,以確保實驗儀器、儀表的安全。 (2)根據(jù)閉合電路歐姆定律E=I(R+r),整理可得R=-r=E·-r,即R-圖像為直線,描點連線后

15、圖像如圖所示。 根據(jù)圖像可知r=1.2 Ω,圖像的斜率為電動勢E,在R-圖像上取兩點(2,1.58)、(5,5.71),則E= V≈1.38 V。 (3)題圖3的讀數(shù)為66×10-3 V,根據(jù)歐姆定律,得電流表的內(nèi)阻rA== Ω=0.2 Ω,由E=I(R+r′+rA)得R=E·-(r′+rA),R-圖像的斜率仍為電動勢E,即E=1.38 V,而干電池的內(nèi)阻應為r′=r-rA=1.0 Ω。 [答案] (1)開關未斷開;電阻箱阻值為零。 (2)見解析圖 1.38 1.2 (3)1.38 1.0 [例2] 某同學在做“測電源的電動勢和內(nèi)阻”的實驗中,給電源串聯(lián)了一只R0=1.5 Ω的保

16、護電阻,實驗電路如圖(a)所示。 (1)用完好的導線連好電路后,該同學閉合開關S,發(fā)現(xiàn)電流表示數(shù)為零,電壓表示數(shù)不為零,檢查發(fā)現(xiàn)各接線柱均未接錯,且接觸良好。他用多用電表的電壓擋檢查電路。 ①在使用多用電表前,發(fā)現(xiàn)指針不在左邊“0”刻度處,應先調(diào)整圖(b)中多用電表的________(選填“A”“B”或“C”)。 ②將兩表筆分別接b、c,d、e時,示數(shù)均為零,兩表筆接c、d時,示數(shù)與電壓表示數(shù)相同,由此可推斷故障原因是__________________。 (2)排除故障后,該同學順利完成實驗,測得下列數(shù)據(jù),并且根據(jù)數(shù)據(jù)在坐標系中描出了對應的點,如圖(c)所示,請畫出UI圖像。

17、 I/A 0.10 0.17 0.25 0.30 0.40 U/V 1.20 1.00 0.80 0.60 0.55 (3)由UI圖像求出實驗中電源的電動勢E=_______V,內(nèi)阻r=________Ω。(結果均保留三位有效數(shù)字) (4)本次實驗產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因是__________________________________________。 [三步化“新”為“熟”] 1.本題的實驗目的是測定電源的電動勢和內(nèi)阻,但首先要用多用電表檢查電路故障。 2.根據(jù)E=U+Ir,U=E-Ir可知,UI圖像的縱軸截距為電源電動勢,斜率的絕對值為內(nèi)阻。 3

18、.通過實驗電路的原理可分析出實驗誤差的來源。 [解析] (1)①開始時指針不在左邊“0”刻度時應進行機械調(diào)零,故應調(diào)節(jié)A(指針定位螺絲)進行調(diào)節(jié)。②電流表示數(shù)為零,電壓表示數(shù)不為零,則電流表或滑動變阻器斷路,用多用電表的電壓擋檢查電路,把兩表筆分別接b、c,d、e時,示數(shù)均為零,兩表筆接c、d時,示數(shù)與電壓表示數(shù)相同,說明c、d之間斷路,即滑動變阻器斷路。 (2)由描點作圖法得出UI圖像如圖所示。 (3)UI圖線是一條傾斜的直線,縱軸截距為1.50,所以電源電動勢E=1.50 V,圖線的斜率絕對值k==Ω≈2.89 Ω,所以內(nèi)阻r=(2.89-1.5)Ω=1.39 Ω。 (4)

19、由題圖(a)可知,將保護電阻作為內(nèi)阻處理后,電壓表并聯(lián)在電源兩端,故電壓表示數(shù)準確,但由于電壓表內(nèi)阻的影響而導致電流表示數(shù)偏小,故誤差原因是電壓表分流。 [答案]  (1)①A?、诨瑒幼冏杵鲾嗦贰?2)見解析圖 (3)1.50(1.40~1.60均可) 1.39(1.17~1.61均可) (4)電壓表分流 [創(chuàng)新角度歸納] 創(chuàng)新角度 創(chuàng)新解讀 實驗原理 的拓展 換用不同的器材,可以用“安阻法”和“伏阻法”進行實驗 安阻法       伏阻法       實驗器材 的替代 (1)可用電阻箱替代滑動變阻器 (2)可用電壓表和定值電阻替代電流表,也可用電流表和定值電阻替代電壓表 數(shù)據(jù)處理 的創(chuàng)新 實驗中除了作U-I圖像,還可作R-圖像, -圖像等,只要能列出函數(shù)關系,找出斜率、截距即可

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