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(共42张PPT)
3　实验:电池电动势和内阻的测量
实验探究 方案梳理
实验目的
1.掌握实验电路、实验原理及实验方法。
2.学会用图像法处理实验数据,对误差进行初步分析,了解测量中减小误差的办法。
实验原理
根据闭合电路欧姆定律,利用伏安法测电池的电动势E和内阻r。
如图甲所示,改变滑动变阻器的阻值,从电流表、电压表中读出几组I和U的值,由U=E-Ir可得:
甲
为减小误差,至少测出六组U和I值,且变化范围要大些,然后在坐标系中作U-I图像,由图线纵截距和斜率找出
乙
实验器材
待测电池一节,电流表、电压表各一个,滑动变阻器一个,开关一个,导线若干。
实验步骤
1.确定电流表、电压表的量程,按图甲所示电路把器材连接好,如图乙所示。
甲
乙
2.把变阻器的滑片移到一端使阻值最大。
3.闭合开关,调节变阻器,使电流表有明显示数,记录一组电流表和电压表的示数,用同样的方法测量并记录几组I和U的值。
4.断开开关,整理好器材。
数据处理
1.公式法。
把测量的几组数据分别代入E=U+Ir中,然后两个方程为一组,解方程求出几组E、r的值,最后对E、r分别求平均值作为测量结果。
2.图像法。
(1)以I为横坐标,U为纵坐标建立直角坐标系,根据几组I、U的测量数据在坐标系中描点。
(2)用刻度尺画一条直线,使尽量多的点落在这条直线上,不在直线上的点,能大致均衡地分布在直线两侧。
(3)如图所示。
①图线与纵轴交点为E;
误差分析
1.偶然误差。
有读数视差和用图像法求E和r时,由于作图不准确而造成的偶然误差。
2.系统误差。
(1)采用如图甲所示电路。
在理论上E=U+(IV+IA)r,其中电压表示数U是准确的电源两端电压。实验中忽略了通过电压表的电流IV,从而形成误差(如图乙中带箭头线段所示),而且电压表示数越大,IV越大。
甲
乙
从图像角度看:①当电压表示数为零时,IV=0,IA=I短,因此短路电流测量值=真实值;②E测(2)如果采用如图丙所示接法,则IA为电源电流真实值,理论上有E=U+UA+IAr,其中的UA不可知,从而造成误差(如图丁中带箭头线段UA),而且电流表示数越大,UA越大,当电流表示数为零时,UA=0,电压表示数值为准确值,等于E。
从图像角度看:①E为真实值;
②I短测丙
丁
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0~3 V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0~0.6 A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,所以一般选择误差较小的甲电路图。
甲
乙
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U-I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。
实验热点 探究突破
热点1 实验原理与误差分析
典型例题
【例1】 在用电流表和电压表测定电池的电动势和内阻的实验中,供选用的器材有
A.电流表(量程0~0.6 A,RA=1 Ω)
B.电流表(量程0~3 A,RA=0.6 Ω)
C.电压表(量程0~3 V,RV=5 kΩ)
D.电压表(量程0~15 V,RV=10 kΩ)
E.滑动变阻器(0~10 Ω,额定电流1.5 A)
F.滑动变阻器(0~2 kΩ,额定电流0.2 A)
G.待测电源(一节一号干电池)、开关、导线若干
(1)请在虚线框中画出能使本实验测量精确程度高的实验电路。
(2)电路中电流表应选用　　　　,电压表应选用　　　　,滑动变阻器应选用　　　　。(选填正确选项前的标号)
A
C
E
(3)下图为实验所需器材,请按原理图连接出正确的实验电路。
(4)引起该实验系统误差的主要原因是　　　　　　　　。
电压表的分流作用
解析:(1)电路如图所示。由于在如图所示的电路中只要电压表的内阻RV远大于r,这种条件很容易实现,所以应选用该电路。
(2)考虑到待测电源只有一节干电池,所以电压表应选C;电流又不能太大,一般不超过0.5 A,所以电流表应选A;变阻器不能选择太大的阻值,从允许最大电流和减小实验误差来看,应选择电阻较小而额定电流较大的滑动变阻器E。
(3)如图所示
注意闭合开关前,要使滑动变阻器接入电路的电阻最大,即滑片应滑到最左端。
(4)系统误差一般是由测量工具和测量方法造成的,该实验中的系统误差是由于电压表的分流作用使得电流表读数(即测量值)总是比干路中真实电流值小,造成E测热点2 实验数据处理
典型例题
【例2】 用伏安法测一节干电池的电动势E和内阻r,所给的
器材有
A.电压表V:0~3~15 V B.电流表A:0~0.6~3 A
C.滑动变阻器R1:总阻值20 Ω D.滑动变阻器R2:总阻值100 Ω
E.开关S和导线若干
(1)电压表量程选用　　　　;滑动变阻器选用　　　(选填
“R1”或“R2”)。
0~3 V
R1
(2)在虚线框中将电压表连入实验电路中。
(3)在U-I图中已画出七组实验数据所对应的坐标点,请根据这些点作出U-I图线并由图线求出:E=　　　 V,r=　　　 Ω。
1.46
0.72
解析:由于一节干电池的电动势约为1.5 V,则电压表量程选用0~3 V;为了调节方便,滑动变阻器用R1,连线时注意让尽量多的点落在直线上,不在直线上的点,应均匀分布在直线两侧,然后根据图像求E、r。
热点3 实验探究拓展
典型例题
【例3】 为了响应“地球一小时”的活动,某校学生组织了一次自制水果灯比赛,小明同学自制的“橙子电池”成功点亮了一个LED小灯泡。在实验成功前,小明为了测量“橙子电池”的电动势和内阻,进行了多次实验,他设计的电路图如图所示。
若实验室除了导线和开关外,还有以下一些器材可供选择:
A.电流表A1(量程为0~0.6 A,内阻R1=1 Ω)
B.电流表A2(量程为0~0.6 mA,内阻R2=800 Ω)
C.电流表A3(量程为0~600 μA,内阻未知)
D.电阻箱(0~9 999 Ω)
(1)为了能尽可能准确地测定“橙子电池”的电动势和内阻,实验中电流表应选择　　　(选填正确选项前的标号)。
B
(2)小明同学测出了多组数据并记录在下表中:
R/(103 Ω) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
I/mA 0.53 0.41 0.33 0.28 0.24 0.21
/(103 A-1) 1.89 2.44 3.03 3.57 4.17 4.76
他应该作　　　　(选填“R-I”或“R- ”)图像。
(3)请根据小明获得的数据在图中作出图像。
(4)由图线可以得到被测电池的电动势E=　　　 V,内阻
r=　　　　 Ω。(结果均保留2位有效数字)
0.84
2.0×102
成果验收站
1.现有一特殊电池,它的电动势E约为 9 V,内阻r约为40 Ω,已知该电池允许输出的最大电流为50 mA。为了测定这个电池的电动势和内阻,某同学利用如图甲所示的电路进行实验,图中电流表的内阻RA已经测出,阻值为5 Ω,R为电阻箱,阻值范围为0~999.9 Ω,R0为定值电阻,对电路起保护作用。
甲
(1)实验室备有的定值电阻R0有以下几种规格,本实验选用哪一种规格的定值电阻最合适　　　　。
A.10 Ω B.50 Ω C.150 Ω D.500 Ω
乙
(2)该同学接入符合要求的R0后,闭合开关S,调整电阻箱的阻值,读取电流表的示数,记录多组数据,作出了如图乙所示的图线,则根据该同学作出的图线可求得该电池的电动势E=　　　 V,内阻r=　　　 Ω。
C
10
45
解析:(1)电池允许通过的最大电流为50 mA,内阻约为40 Ω,电路中的最小电阻应大于 =180 Ω,则最小电阻为180 Ω-40 Ω-5 Ω=135 Ω;为了能很好地调节电路,并能得出更多组数据,保护电阻应选C。
(2)由闭合电路欧姆定律可知:E=I(R+r+R0+RA)
2.为测定某旧干电池的电动势和内阻,实验室提供了如下器材:
A.旧干电池两节(假设两节电池完全一样)
B.电压表(视为理想电压表,量程0~3 V)
C.电阻箱R(0~999.9 Ω)
D.定值电阻R0=10 Ω
E.多用电表
F.开关、导线若干
(1)同学A直接使用多用电表的直流电压2.5 V挡测量一节电池的电动势,读数如图所示,则该同学测得的电动势E=　　　　,此测量值比旧干电池电动势的真实值　　　　(选填“偏大”或“偏小”)。
1.45 V
偏小
(2)同学B将两节干电池串联接入如图甲所示的电路,规范操作得到如图乙所示的图像(U为电压表读数)。该同学所描绘的图像中,横坐标是　　　　(填选项前的字母)。
甲
乙
B
(3)按照(2)问中所选的横坐标,已知图像的斜率为k,纵轴的截距为b,则一节干电池的电动势为　　　　,内阻r为　　　。(均用k、b、R0表示)

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