资源简介

第10讲 电学实验（二）
实验三：测定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
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．基本操作
(1)电流表用0.6 A的量程，电压表用3 V的量程，按图1连接好电路．
(2)把滑动变阻器的滑片移到使阻值最大的一端．
(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．
1．实验数据求E、r的处理方法
(1)列方程求解：由U＝E－Ir得，解得E、r.
(2)用作图法处理数据，如图2所示．
①图线与纵轴交点为E；
②图线与横轴交点为I短＝；
③图线的斜率表示r＝||.
2．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．
(5)电流表要内接(因为r很小)．
3．误差来源
(1)偶然误差：用图象法求E和r时作图不准确．
(2)系统误差：电压表分流.
题型一：教材原型实验
[例1](2016·四川理综·8Ⅱ)用如图3所示电路测量电源的电动势和内阻．实验器材：待测电源(电动势约3 V，内阻约2 Ω)，保护电阻R1(阻值10 Ω)和R2(阻值5 Ω)，滑动变阻器R，电流表A，电压表V，开关S，导线若干．
实验主要步骤：
(ⅰ)将滑动变阻器接入电路的阻值调到最大，闭合开关；
(ⅱ)逐渐减小滑动变阻器接入电路的阻值，记下电压表的示数U和相应电流表的示数I；
(ⅲ)以U为纵坐标，I为横坐标，作U－I图线(U、I都用国际单位)；
(ⅳ)求出U－I图线斜率的绝对值k和在横轴上的截距a.
回答下列问题：
(1)电压表最好选用________；电流表最好选用______．
A．电压表(0～3 V，内阻约15 kΩ)
B．电压表(0～3 V，内阻约3 kΩ)
C．电流表(0～200 mA，内阻约2 Ω)
D．电流表(0～30 mA，内阻约2 Ω)
(2)滑动变阻器的滑片从左向右滑动，发现电压表示数增大．两导线与滑动变阻器接线柱连接情况是________．
A．两导线接在滑动变阻器电阻丝两端的接线柱
B．两导线接在滑动变阻器金属杆两端的接线柱
C．一条导线接在滑动变阻器金属杆左端接线柱，另一条导线接在电阻丝左端接线柱
D．一条导线接在滑动变阻器金属杆右端接线柱，另一条导线接在电阻丝右端接线柱
(3)选用k、a、R1和R2表示待测电源的电动势E和内阻r的表达式E＝________，r＝________，代入数值可得E和r的测量值．
[变式1]利用图4所示的电路测定一节干电池的电动势和内阻，要求尽量减小实验误差．供选择的器材有：
A．电流表A(0～0.6 A)
B．电压表V1(0～3 V)
C．电压表V2(0～15 V)
D．滑动变阻器R1(0～20 Ω)
E．滑动变阻器R2(0～200 Ω)
F．定值电阻R0＝1 Ω
G．开关一个，导线若干
(1)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)．
(2)闭合开关，电压表和电流表均有示数，但是无论怎么移动滑动变阻器的滑片，电压表的读数变化都非常小．同学们讨论后，在原电路的基础上又加了一个定值电阻R0，问题得到解决．请你在虚线框内画出改进后的电路图．
某位同学记录了6组数据，对应的点已经标在坐标纸上．在图5坐标纸上画出U－I图线，并根据所画图线可得出干电池的电动势E＝______ V，内电阻r＝________ Ω.(结果均保留两位有效数字)
[变式2]利用电流表和电压表测定一节干电池的电动势和内阻．要求尽量减小实验误差．
(1)应该选择的实验电路是图6中的________(选填“甲”或“乙”)．
(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组数据如表所示，其中5组数据的对应点已经标在图7，请标出余下一组数据的对应点，并画出U－I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.
(5)实验中，随着滑动变阻器滑片的移动，电压表的示数U及干电池的输出功率P都会发生变化．下列示意图中正确反映P－U关系的是________．
3．手机、电脑等电器已经普及到人们的日常生活中，这些电器都要用到蓄电池．某同学利用下列器材测定一节蓄电池的电动势和内阻．蓄电池的电动势约为3 V.
A．量程是0.6 A，内阻约为0.5 Ω的电流表；
B．量程是3 V，内阻是6 kΩ的电压表；
C．量程是15 V，内阻是30 kΩ的电压表；
D．阻值为0～1 kΩ，额定电流为0.5 A的滑动变阻器；
E．阻值为0～10 Ω，额定电流为2 A的滑动变阻器；
F．定值电阻4 Ω，额定功率4 W；
G．开关S一个，导线若干．
(1)为了减小实验误差，电压表应选择________(填器材代号)，图8中的导线应连接到________处(填“①”或“②”)，改变滑动变阻器阻值的时候，为了使电压表和电流表的读数变化比较明显，滑动变阻器应选择________(填器材代号)．
图8
(2)用(1)问中的实验电路进行测量，读出电压表和电流表的读数，画出对应的U－I图线如图9所示，由图线可得该蓄电池的电动势E＝______ V，内阻r＝______ Ω.(结果保留两位有效数字)
图9
题型二：实验拓展创新
[例2]图10甲是利用两个电流表A1和A2测量干电池电动势E和内阻r的电路原理图．图中S为开关，R为滑动变阻器，定值电阻R1和A1内阻之和为10 000 Ω(比r和滑动变阻器的总电阻都大得多)，A2为理想电流表．
(1)按电路原理图在图乙虚线框内各实物图之间画出连线．
(2)在闭合开关S前，将滑动变阻器的滑动端c移动至________(填“a端”“中央”或“b端”)．
(3)闭合开关S，移动滑动变阻器的滑动端c至某一位置，读出电流表A1和A2的示数I1和I2.多次改变滑动端c的位置，得到的数据为：
I1(mA) 0.120 0.125 0.130 0.135 0.140 0.145
I2(mA) 480 400 320 232 140 68
在图11所示的坐标纸上以I1为纵坐标、I2为横坐标画出所对应的I1－I2图线．
(4)利用所得图线求得电源的电动势E＝__________ V，内阻r＝________ Ω.(均保留两位小数)
(5)该电路中电源输出的短路电流Im＝__________ A．(保留两位有效数字)
[变式1]某同学准备利用下列器材测量干电池的电动势和内阻．
A．待测干电池一节，电动势约为1.5 V，内阻约为几欧姆
B．直流电压表V，量程为3 V，内阻非常大
C．定值电阻R0＝150 Ω
D．电阻箱R
E．导线和开关
根据如图12甲所示的电路连接图进行实验操作．多次改变电阻箱的阻值，记录每次电阻箱的阻值R和电压表的示数U.在－R坐标系中描出的坐标点如图乙所示．
(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)在图乙坐标纸上画出－R关系图线．
(3)根据图线求得斜率k＝________ V－1·Ω－1，截距b＝________ V－1(保留两位有效数字)．
(4)根据图线求得电源电动势E＝________ V，内阻r＝________ Ω(保留三位有效数字)．
[变式2]某同学设想运用如图13甲所示的实验电路，测量未知电阻Rx的阻值、电流表A的内阻和电源(内阻忽略不计)的电动势，实验过程中电流表的读数始终符合实验要求．
(1)为了测量未知电阻Rx的阻值，他在闭合开关之前应该将两个电阻箱的阻值调至________(填“最大”或“最小”)，然后闭合开关K1，将开关K2拨至1位置，调节R2使电流表A有明显读数I0；接着将开关K2拨至2位置．保持R2不变，调节R1，当调节R1＝34.2 Ω时，电流表A读数仍为I0，则该未知电阻的阻值Rx＝________ Ω.
(2)为了测量电流表A的内阻RA和电源(内阻忽略不计)的电动势E，他将R1的阻值调到R1＝1.5 Ω，R2调到最大，将开关K2拨至2位置，闭合开关K1；然后多次调节R2，并在表格中记录下了各次R2的阻值和对应电流表A的读数I；最后根据记录的数据，他画出了如图乙所示的图象，根据你所学知识和题中所给字母写出该图象对应的函数表达式为：____________；利用图象中的数据可求得，电流表A的内阻RA＝______ Ω，电源(内阻忽略不计)的电动势E＝________ V.
实验四　练习使用多用电表
一、电流表与电压表的改装
1．改装方案
改装为电压表 改装为大量程的电流表
原理 串联电阻分压 并联电阻分流
改装原理图
分压电阻或分流电阻 U＝Ig(Rg＋R) 故R＝－Rg IgRg＝(I－Ig)R 故R＝
改装后电表内阻 RV＝Rg＋R>Rg RA＝2.校正
(1)电压表的校正电路如图1所示，电流表的校正电路如图2所示．
图1　　　　　　　　　　　图2
(2)校正的过程是：先将滑动变阻器的滑动触头移到最左端，然后闭合开关，移动滑动触头，使改装后的电压表(电流表)示数从零逐渐增大到量程值，每移动一次记下改装的电压表(电流表)和标准电压表(标准电流表)示数，并计算满刻度时的百分误差，然后加以校正．
二、欧姆表原理(多用电表测电阻原理)
1．构造：如图3所示，欧姆表由电流表G、电池、调零电阻R和红、黑表笔组成．
图3
欧姆表内部：电流表、电池、调零电阻串联．
外部：接被测电阻Rx.
全电路电阻R总＝Rg＋R＋r＋Rx.
2．工作原理：闭合电路欧姆定律，I＝.
3．刻度的标定：红、黑表笔短接(被测电阻Rx＝0)时，调节调零电阻R，使I＝Ig，电流表的指针达到满偏，这一过程叫欧姆调零．
(1)当I＝Ig时，Rx＝0，在满偏电流Ig处标为“0”．(图甲)
(2)当I＝0时，Rx→∞，在I＝0处标为“∞”．(图乙)
(3)当I＝时，Rx＝Rg＋R＋r，此电阻值等于欧姆表的内阻值，Rx叫中值电阻．
三、多用电表
1．多用电表可以用来测量电流、电压、电阻等，并且每一种测量都有几个量程．
图4
2．外形如图4所示：上半部为表盘，表盘上有电流、电压、电阻等多种量程的刻度；下半部为选择开关，它的四周刻有各种测量项目和量程．
3．多用电表面板上还有：欧姆表的欧姆调零旋钮(使电表指针指在右端零欧姆处)、指针定位螺丝(使电表指针指在左端的“0”位置)、表笔的正、负插孔(红表笔插入“＋”插孔，黑表笔插入“－”插孔)．
四、二极管的单向导电性
1．晶体二极管是由半导体材料制成的，它有两个极，即正极和负极，它的符号如图5甲所示．
图5
2．晶体二极管具有单向导电性(符号上的箭头表示允许电流通过的方向)．当给二极管加正向电压时，它的电阻很小，电路导通，如图乙所示；当给二极管加反向电压时，它的电阻很大，电路截止，如图丙所示．
3．将多用电表的选择开关拨到欧姆挡，红、黑表笔接到二极管的两极上，当黑表笔接“正”极，红表笔接“负”极时，电阻示数较小，反之电阻示数很大，由此可判断出二极管的正、负极．
1．实验器材
多用电表、电学黑箱、直流电源、开关、导线若干、小灯泡、二极管、定值电阻(大、中、小)三个．
2．实验步骤
(1)观察：观察多用电表的外形，认识选择开关的测量项目及量程．
(2)机械调零：检查多用电表的指针是否停在表盘刻度左端的零位置．若不指零，则可用小螺丝刀进行机械调零．
(3)将红、黑表笔分别插入“＋”、“－”插孔．
(4)测量小灯泡的电压和电流．
①按如图6甲所示的电路图连好电路，将多用电表选择开关置于直流电压挡，测小灯泡两端的电压．
图6
②按如图乙所示的电路图连好电路，将选择开关置于直流电流挡，测量通过小灯泡的电流．
(5)测量定值电阻
①根据被测电阻的估计阻值，选择合适的挡位，把两表笔短接，观察指针是否指在欧姆表的“0”刻度，若不指在欧姆表的“0”刻度，调节欧姆调零旋钮，使指针指在欧姆表的“0”刻度处；
②将被测电阻接在两表笔之间，待指针稳定后读数；
③读出指针在刻度盘上所指的数值，用读数乘以所选挡位的倍率，即得测量结果；
④测量完毕，将选择开关置于交流电压最高挡或“OFF”挡．
1．多用电表使用注意事项
(1)表内电源正极接黑表笔，负极接红表笔，但是红表笔插入“＋”插孔，黑表笔插入“－”插孔，注意电流的实际方向应为“红入”，“黑出”．
(2)区分“机械零点”与“欧姆零点”．机械零点是表盘刻度左侧的“0”位置，调整的是表盘下边中间的指针定位螺丝；欧姆零点是指刻度盘右侧的“0”位置，调整的是欧姆调零旋钮．
(3)由于欧姆挡表盘难以估读，测量结果只需取两位有效数字，读数时注意乘以相应挡位的倍率．
(4)使用多用电表时，手不能接触表笔的金属杆，特别是在测电阻时，更应注意不要用手接触表笔的金属杆．
(5)测量电阻时待测电阻要与其他元件和电源断开，否则不但影响测量结果，甚至可能损坏电表．
(6)测电阻时每换一挡必须重新欧姆调零．
(7)使用完毕，选择开关要置于交流电压最高挡或“OFF”挡．长期不用，应把表内电池取出．
2．多用电表对电路故障的检测
(1)断路故障的检测方法
①用直流电压挡：
a．将电压表与电源并联，若电压表示数不为零，说明电源良好，若电压表示数为零，说明电源损坏．
b．在电源完好时，再将电压表与外电路的各部分电路并联．若电压表示数等于电源电动势，则说明该部分电路中有断点．
②用直流电流挡：
将电流表串联在电路中，若电流表的示数为零，则说明与电流表串联的部分电路断路．
③用欧姆挡检测
将各元件与电源断开，然后接到红、黑表笔间，若有阻值(或有电流)说明元件完好，若电阻无穷大(或无电流)说明此元件断路．
(2)短路故障的检测方法
①将电压表与电源并联，若电压表示数为零，说明电源被短路；若电压表示数不为零，则外电路的部分电路不被短路或不完全被短路．
②用电流表检测，若串联在电路中的电流表示数不为零，故障应是短路．
题型一：教材原型实验
[例1]在“练习使用多用电表”的实验中：
图7
(1)某同学用多用电表测量电阻，电路如图7甲所示，若选择开关置于“×100”挡，按正确使用方法测量电阻Rx的阻值，指针位于图乙所示位置，则Rx＝________ Ω.
(2)若该欧姆表使用一段时间后，电池电动势变小，内阻变大，但此表仍能调零，按正确使用方法再测上述Rx，其测量结果与原结果相比将________(选填“变大”“变小”或“不变”)．
(3)某同学利用图甲中的器材设计了一只欧姆表，其电路如图丙所示．
①关于该欧姆表，下列说法正确的是________．
A．电阻刻度的零位在表盘的右端
B．表盘上的电阻刻度是均匀的
C．测量前，不需要红、黑表笔短接调零
D．测量后，应将开关S断开
②某同学进行如下操作：当Rx未接入时，闭合开关S，将红、黑表笔分开时，调节可变电阻，使电流表满偏．当Rx接入A、B表笔之间时，若电流表的指针指在表盘的正中央，则待测电阻Rx的阻值为________(已知电流表的内阻为Rg，电池的内阻为r，可变电阻接入电路的阻值为R)．
[变式1]某同学使用多用电表测电阻，如图8是多用电表的刻度盘，选用倍率为“×10”的欧姆挡测电阻时，表针指示图示位置，则所测电阻的阻值为________ Ω.如果要用此多用电表测量一个约2.0×104 Ω的电阻，为了使测量比较精确，应选的欧姆挡是________(选填“×10”、“×100”、“×1k”或“×10k”)．若测量结束后，该同学将两表笔短接，发现电表指针指在电阻“0”刻度的右侧，则上述电阻的测量值________(选填“偏大”、“偏小”或“不受影响”)．
图8
[变式1]某同学想通过一个多用电表的欧姆挡直接测量某电压表(量程为10 V)的内阻(大约几十千欧)，该多用电表刻度盘上电阻刻度的中间值为30.
(1)欧姆挡的选择开关拨至________(选填“×1k”或“×100”)挡，先将红、黑表笔短接调零后，选用图9中______(选填“A”或“B”)方式连接．
(2)如图10甲所示，该同学读出欧姆表的读数为______ Ω；如图乙所示，电压表的读数为________ V，欧姆表电池的电动势为________ V.
图10
[变式2]二极管具有单向导电性，其正向电阻很小，反向电阻很大，现有一个二极管其正极记为A、负极记为B.某同学研究二极管正、反向电阻的相关实验操作过程如下：
(1)先用多用电表的欧姆挡测量其电阻，其正向电阻约为10 Ω，反向电阻约为50 kΩ，则在测量二极管的正向电阻时，电表的红表笔应接________(填“A”或“B”)．
图11
(2)该同学设计了如图11所示的电路用伏安法进一步测量该二极管正反向电压均为2 V时的电阻值，二极管接在1、2之间，电压表的内阻约为40 kΩ，选用多用电表的直流电流挡作为电流表接在3、4之间．该多用电表的直流电流有三个量程，量程和对应的内阻分别为：①50 μA，内阻约为100 Ω；②50 mA，内阻约为50 Ω；③250 mA，内阻约为10 Ω.则在实验过程中，多用电表的红表笔应与接线柱________(填“3”或“4”)相连；测二极管的反向电阻时电流表的量程应选用________(填“①”、“②”或“③”)，单刀双掷开关S2应拨向接点________(填“5”或“6”)．
题型二　实验拓展创新
[例2]小明在实验室中发现一个外观上像电阻的未知元件D，设计了如图12甲所示电路进行实验探究，请按要求回答问题：
图12
(1)小明按图甲连接好电路，闭合开关S，将滑动变阻器滑片缓慢地从a端移到b端，发现起始阶段电压表的示数逐渐增大，后续阶段电压表示数保持6 V不变，若D为电阻元件，则该过程中它的电阻值的变化情况可能是(　　)
A．阻值一直为0
B．阻值先不变，后阶段变小
C．阻值恒定且远大于R2
D．阻值先不变，后阶段变大
(2)根据元件D铭牌上的部分信息，小明从网络获知该元件为稳压二极管，它有正负极之分，在电路中当D的正极接高电势时，其i－u图线如图乙中OC所示，当D的负极接高电势时，其i－u图线如图乙中OAB所示，其中AB段为D的稳压工作区，由此可判断图甲中D的黑色端是它的________极(填“正”或“负”)．
(3)小明接着设计了用多用电表欧姆挡按图丙对该元件进行探究，图丙中虚线框端是其内部等效电路，已知电源电动势E＝9 V，电表满偏电流Ig＝3 mA.实验时小明先进行欧姆调零，则调零后多用电表内部总电阻为________ Ω；调零后按图丙连接元件D进行测量，若D恰好处于稳压工作区，则此时测得元件D的阻值应为________ Ω.
[变式1]如图13所示为多量程多用电表的示意图．
图13
(1)当接通1或2时，为________挡(填“电流”“电阻”或“电压”).1的量程比2的量程________(填“大”或“小”)．
(2)测量某电阻时，用欧姆挡“×10”挡时，发现指针偏转角度过大，他应该换用欧姆挡________挡(填“×1”或“×100”)换挡后，在测量前要先进行________．
(3)该同学要测量多用电表直流“2.5 V”挡的内阻RV(约为20 kΩ)．除此多用电表外，还有以下器材：直流电源一个(电动势E为3 V，内阻可忽略不计)、电阻一个(阻值R为10 kΩ)、开关一个、导线若干．
要求：(ⅰ)在方框中画出实验电路图(多用电表用表示)；
(ⅱ)写出RV的表达式(用字母表示，并说明所用字母的物理意义)．
[变式2]二极管具有独特的单向导电性，当在二极管两极之间所加正向电压小于某值时，二极管的电阻很大(1×106 Ω，甚至更大)，而当正向电压超过某值时，二极管的电阻随两端电压的升高而急剧减小．为了探究二极管的导电特性：
(1)实验小组先用多用电表判断二极管的极性．步骤如下：
A．将多用电表置于欧姆表“×100”挡，短接红、黑表笔，调整________，使指针指向表盘右侧“0”位置；
B．将二极管串接在两表笔之间，多用电表示数如图14中a所示；
C．将二极管两极对调，多用电表示数如图中b所示，则此时与红表笔接触的是二极管的________(填“正”或“负”)极．
图14
(2)实验小组设计了如图15所示的实验电路，通过实验测得相关数据如下表.
正向电压U/V 正向电流I/mA
0.10 0
0.20 0
0.30 0
0.40 0.02
0.50 0.26
0.55 0.56
0.60 1.13
0.65 1.79
0.68 2.37
0.70 3.00
①由二极管的特性和表中数据可知，当电压表示数为0.10～0.30 V时，图中开关S一定接在位置________；
②根据表中数据，在图16中作出二极管的伏安特性曲线(要求保留所描的点迹)，由图线可知，二极管是________(填“线性”或“非线性”)元件．
(3)若此二极管为发光二极管，正常发光时通过的电流为3.00 mA，若用1.5 V的电源供电，则应该给二极管________(填“串”或“并”)联一个约________ Ω的电阻．(结果保留三位有效数字)
第10讲 电学实验（二）作业
1、现有一电池，其电动势E约为3V，内阻1～2Ω，允许通过的最大电流为750mA．为测定该电池的电动势和内阻，某同学利用如图1所示的电路进行实验。图1中R为电阻箱，阻值范围为0～9999Ω，R0为保护电阻。
（1）可备选用的定值电阻R0有以下几种规格，本实验应选用_______。
A．2Ω B．3 Ω C．4Ω D．5Ω
（2）按照图1所示的电路图，将图2所示的实物连接成实验电路。
（3）某同学测量该电池的电动势和内阻，经正确操作后得到几组数据，并根据这几组数据作出电压表示数U的倒数随变阻器R的阻值的倒数1/R变化的规律如图3所示。由图象可知：
①用E、r表示该电池的电动势和内阻，则与关系式为_______________________；
②依据实验数据绘出的_
图线如图3所示，则该电源的电动势E=_____________V，内阻r=___________Ω．（计算结果保留两位有效数字）
用如图所示的多用电表测量电阻，要用到选择开关K和两个部件S、T．请根据下列步骤完成电阻测量：
（1）旋动部件_______，使指针对准电流的“0“刻线；
（2）将K旋转到电阻挡“×l00“的位置；
（3）将插入“十“、“-“插孔的表笔短接，旋动部件_________，使指针对准电阻的______，（填“0刻线“或“∞刻线“）；
（4）将两表笔分别与待测电阻相接，发现指针偏转角度过小。为了得到比较准确的测量结果，应将K旋转到电阻挡的_______，（填“×1K”或“×100”）的位置，重新进行欧姆调零并完成测量。

展开更多......

收起↑