第4章　第2节　科学测量 电源的电动势和内阻—2020-2021学年新教材鲁科版（2019）高中物理必修三课件（51张PPT）

第2节　科学测量:电源的电动势和内阻
必备知识
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一、实验目的
1.测量电源的电动势和内阻。
2.学习通过计算和作图分析处理实验数据。
二、实验器材
电流表、电压表、滑动变阻器、待测干电池、开关、导线等。
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三、实验原理与设计
利用闭合电路欧姆定律来测量并计算与分析,电路图如图所示。通过改变滑动变阻器的阻值改变电路状态,电路中的电压、电流均发生变化,用电压表和电流表测量出U和I的两组数据,列出两个方程,E=U1+I1r,E=U2+I2r,进而求解出电动势E和内阻r,
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四、实验步骤
1.电流表用0~0.6 A量程,电压表用0~3 V量程,按实验原理图连接好电路。
2.把滑动变阻器的滑片移到一端,使其接入电路的阻值最大。
3.闭合开关,调节滑动变阻器,使电流表有明显的示数,记录一组数据(I1,U1)。用同样的方法测量几组U、I值。
4.断开开关,整理好器材。
5.处理数据,用公式法和作图法求出电源的电动势和内阻。
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1.正误判断。
(1)测干电池的电动势和内阻时,选的滑动变阻器阻值越大越好。(　　)
解析:干电池的内阻比较小,为使电路中的电流大范围调节,滑动变阻器的阻值是干电池的内阻的十几倍就可以,一般20 Ω左右为宜。
答案:×
(2)测干电池的电动势和内阻时,选的电流表和电压表量程越大越好。(　　)
解析:干电池的电动势为1.5 V,因此选用3 V的电压表就可精确测量,干电池的放电电流不能太大,一般不能超过0.6 A。
答案:×
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(3)只要测量一组(U,I)的数值,就可计算出电源电动势和内阻的大小。(　　)
解析:最少测量两组(U,I)的数值,联立方程组计算出电源电动势和内阻的大小。
答案:×
(4)测干电池的电动势和内阻时,不管电流表和电压表如何接,都没有误差。(　　)
解析:测干电池的电动势和内阻时,电压表测路端电压的接法测量误差较小。
答案:×
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(5)利用U-I图像处理实验数据时,纵截距就是电源的电动势。(　　)
解析:由U=E-Ir知,U-I图像的纵截距就是电源的电动势。
答案:√
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2.(多选)某学生用电流表和电压表测干电池的电动势和内阻时,所用滑动变阻器的阻值范围为0~20 Ω,连接电路的实物图如图所示。关于该学生接线的说法正确的是(　　)
A.滑动变阻器不起变阻作用
B.电流表接线有误
C.电压表量程选用不当
D.电压表接线不妥
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解析:移动变阻器触头时,不会改变接入电路的电阻大小,变阻器不起变阻作用,A正确;电流表只允许电流从正接线柱流入,从负接线柱流出,而且应该选择0~0.6 A量程,图中电流表接线正确,所以B错误;图中电源为两节干电池,电动势为3 V,所以电压表量程应选用0~3 V,所以C错误;图中开关不能控制电压表,且电流从负接线柱流入,从正接线柱流出,所以电压表的接线不妥,D正确。
答案:AD
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探究二
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伏安法测电动势和内阻
知识归纳
1.数据分析
可以利用U、I的值多求几组E、r的值,算出它们的平均值。
(2)U-I图像法
①本实验中,为了减小实验误差,一般用图像法处理实验数据,即根据多次测出的U、I值,作U-I图像;
②将图线两侧延长,纵轴截距点意味着断路情况,它的数值就是电源电动势E;
③横轴截距点(路端电压U=0)意味着短路情况,它的数值就是短路
探究一
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探究一
探究二
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2.误差分析
(1)偶然误差
①由于读数不准和电表线性不良引起误差。
②用图像法求E和r时,由于作图不准确造成误差。
③测量过程中通电时间过长或电流过大,都会引起E、r变化。
探究一
探究二
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(2)系统误差
由于电压表和电流表内阻影响而导致的误差。
①如图甲所示,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。而实验中忽略了通过电压表的电流IV而形成误差,而且电压表示数越大,IV越大。
探究一
探究二
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结论:
a.当电压表示数为零时,IV=0,IA=I短,短路电流测量值=真实值;
b.E测探究一
探究二
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②若采用如图丙所示的电路,IA为电源电流真实值,理论上有E=U+UA+IAr,其中UA不可知,而造成误差,而且电流表示数越大,UA越大,当电流为零时,UA=0,电压为准确值,等于E。
探究一
探究二
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结论:
a.E为真实值;
b.I短测探究一
探究二
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3.注意事项
(1)为使干电池的路端电压有明显变化,应选取内阻较大的旧干电池和内阻较大的电压表。
(2)实验中不能将电流调得过大,且读数要快,读完后立即切断电源,防止干电池大电流放电时内阻r的明显变化。
(3)当干电池的路端电压变化很不明显,作图像时,纵轴单位可取得小一些,且纵轴起点可不从零开始。如图所示,此时图线与纵轴交点仍为电池的电动势E,但图线与横轴交点不再是短路电流,内阻要
探究一
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实例引导
例1“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中的　　　　　(选填“甲”或“乙”)。?
探究一
探究二
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(2)现有开关和导线若干,以及以下器材:
A.电流表(0~0.6 A) B.电流表(0~3 A)
C.电压表(0~15 V) D.电压表(0~3 V)
E.滑动变阻器(0~10 Ω) F.滑动变阻器(0~500 Ω)
实验中电流表应选用　　　　　,电压表应选用　　　　　,滑动变阻器应选用　　　　　。(选填相应器材前的字母)?
探究一
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解析:(1)如果用乙电路,误差来源于电流表的分压,测量时将电流表内阻当成电源内阻的一部分,而电流表内阻与电源内阻很接近,故电源内阻测量误差大;用甲电路,误差来源于电压表的分流,因为电压表的内阻远大于滑动变阻器的电阻,故电压表分流很小,测量引起的误差小,故选择甲电路图。
(2)电源电动势为1.5 V,因此电压表量程选择0~3 V,故选D;因干电池允许通过的电流较小,电流表量程选择0~0.6 A,故选A;为使电流表有较大角度的偏转,需选用全阻值小的滑动变阻器,故选E。
答案:(1)甲　(2)A　D　E
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方法总结选择仪器时注意掌握的原则
(1)安全性原则,即一定要保证仪器的安全,对电表来讲不超量程,对滑动变阻器来讲不能超其额定电流。
(2)精确性原则,即要保证测量时读数精确,对电表来讲在不超量程的前提下,尽量选用小量程的。
(3)方便性原则,此原则主要针对滑动变阻器来讲,在滑动变阻器控制电路时,电路的电压、电流的变化范围要尽可能大,以便获取多组测量值。
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变式训练1(2019~2020学年四川蓉城名校联盟高二上期末联考)某实验小组利用如图所示电路测量一节干电池的电动势和内电阻。
(1)实验室有电流表(0~0.6 A)、电压表(0~3 V)、滑动变阻器(0~50 Ω)、开关和导线若干。
(2)实验中记录的6组数据如下表所示,请在下图的坐标纸上画出U-I图像。
探究一
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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)
0.06
0.12
0.24
0.26
0.36
0.48
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(3)根据(2)中所画图像可求出干电池的电动势E=　　　　V,内电阻r=　　　　Ω。(结果保留两位小数)?
(4)由实验测得的电动势　　　　　(选填“大于”“小于”或“等于”)真实值。?
探究一
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解析:(2)画出的U-I图像如图:
探究一
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(3)根据(2)中所画图像可求出干电池的电动势E=1.50 V,内电阻
(4)由于电压表的分流,相等的路端电压对应的电流偏小,故实验测得电动势的值小于真实值。
答案:(2)见解析图　(3)1.50(1.49~1.50)　0.83(0.81~0.85)　(4)小于
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安阻法和伏阻法测电动势和内阻
知识归纳
1.安阻法
由E=IR+Ir可知,只要能得到I、R的两组数据,列出关于E、r的两个方程,就能解出E、r,用到的器材有干电池、开关、电阻箱、电流表,电路图如图所示。
探究一
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2.伏阻法
由E=U+ r知,如果能得到U、R的两组数据,列出关于E、r的两个方程,就能解出E、r,用到的器材是干电池、开关、电阻箱、电压表,电路图如图所示。
探究一
探究二
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实例引导
例2一同学测量某干电池的电动势和内阻。
(1)如图所示是该同学正准备接入最后一根导线(图中虚线所示)时的实验电路。请指出图中在器材操作上存在的两个不妥之处　　　　　;　　　　　。?
探究一
探究二
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(2)实验测得的电阻箱阻值R和理想电流表示数I,以及计算的 数据见下表:
探究一
探究二
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根据表中数据,在下图方格纸上作出R- 关系图像。
由图像可计算出该干电池的电动势为　　　　　 V(结果保留3位有效数字);内阻为　　　　　 Ω(结果保留2位有效数字)。?
探究一
探究二
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解析:(1)在电学实验中,连接电路时应将开关断开,电阻箱的阻值调为最大,确保实验仪器、仪表的安全。
(2)根据闭合电路欧姆定律,得E=I(R+r)
描点连线后图像如图所示。
根据图像可知r=1.2 Ω,图像的斜率为电动势E,
探究一
探究二
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答案:(1)开关未断开　电阻箱阻值为零
(2)见解析图　1.38(1.30~1.40均可)　1.2(1.0~1.4均可)
探究一
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方法总结1.安阻法测电动势和内阻用图像处理数据的方法
由图像的斜率和截距求解。
探究一
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2.伏阻法测电动势和内阻用图像处理数据的方法
探究一
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变式训练2要测量一电源的电动势E(小于3 V)和内阻r(约1 Ω),现有下列器材:理想电压表V(3 V和15 V两个量程)、电阻箱R(0~999.9 Ω)、定值电阻R0=3 Ω、开关和导线。某同学根据所给器材设计如下的实验电路:
探究一
探究二
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(1)电路中定值电阻R0的作用是　 。?
(2)请根据图甲电路,在图乙中用笔画线代替导线连接电路。
(3)该同学调节电阻箱阻值R,读出对应的电压表示数U,得到两组数据:R1=2 Ω时,U1=2.37 V;R2=4 Ω时,U2=2.51 V。由这两组数据可求得电源的电动势E=　　　　　 V,内阻r=　　　　　 Ω。(结果保留3位有效数字)?
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解析:(1)若无R0存在,当R调节到0时,外电路短路,有烧坏电源的危险,故R0的作用是保护电源,防止短路。
(2)如图所示,注意电压表量程选择。
探究一
探究二
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联立以上两式得E=2.95 V,r=1.22 Ω。
答案:(1)保护电源,防止短路　(2)如解析图所示　(3)2.95　1.22
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1.在用电流表和电压表测电池的电动势和内阻的实验中,所用电流表和电压表的内阻分别为0.1 Ω和1 kΩ,如图为实验原理图及所需器材图。
探究一
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(1)在图中用笔画线代替导线将电路元件按原理图连接成实验电路。
(2)一位同学记录的6组数据见下表:
I(A)
0.12
0.20
0.31
0.32
0.50
0.57
U(V)
1.37
1.32
1.24
1.18
1.10
1.05
试根据这些数据在图中画出U-I图像,根据图像读出电池的电动势E=　　　　　 V,求出电池内阻r=　　　　　 Ω。?
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解析:(1)按照实验原理图将实物图连接起来,如图甲所示。
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(2)根据U、I数据,在U-I坐标系中找点描迹,如图乙所示,然后连线并将直线延长,交U轴于U1=1.46 V,此即为电源电动势;由图线斜率
答案:(1)见解析图　(2)见解析图　1.46(1.45~1.47均可)　0.71(0.69~0.73均可)
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2.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为5 Ω,R为电阻箱,阻值范围0~999.9 Ω,R0为定值电阻,对电路起保护作用。
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(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好(　　)
A.10 Ω B.50 Ω
C.150 Ω D.500 Ω
(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。?
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答案:(1)C　(2)10　45
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3.在测量电源的电动势和内阻的实验中,由于所用电压表(视为理想电压表)的量程较小,某同学设计了如图所示的实物电路。
探究一
探究二
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(1)实验时,应先将电阻箱的电阻调到　　　　　。(选填“最大值”“最小值”或“任意值”)?
(2)改变电阻箱的阻值R,分别测出阻值R0=10 Ω的定值电阻两端的电压U,下列两组R的取值方案中,比较合理的方案是　　　　　。(选填“1”或“2”)?
方案编号
电阻箱的阻值R/Ω
R1
R2
R3
R4
R5
1
400.0
350.0
300.0
250.0
200.0
2
80.0
70.0
60.0
50.0
40.0
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