2020-2021学年高考物理 必考实验专题 突破十 测定电源的电动势和内阻(含解析).docx
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1、2020-2021年高考物理必考实验十:测定电源的电动势和内阻1.实验原理(1)如图甲所示,改变R的阻值,从电压表和电流表中读出几组I、U值,利用闭合电路的欧姆定律求出几组E、r值,最后分别算出它们的平均值。甲乙(2)用图象法来处理数据,在坐标纸上以I为横坐标、U为纵坐标,用测出的几组I、U值画出U-I图象,如图乙所示,直线跟纵轴的交点的纵坐标表示电源电动势E的值,图线的斜率的绝对值即内阻r的值。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.实验步骤(1)电流表用0.6 A量程,电压表用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动到使接入电路
2、的阻值最大的一端。(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)。用同样方法测量出六组I、U的值,并填入表格中。组数物理量 第1组第2组第3组第4组第5组第6组U/VI/A(4)断开开关,拆除电路,整理好器材。4.数据处理(1)公式法:联立六组对应的U、I数据,满足关系式U1=E-I1r、U2=E-I2r、U3=E-I3r、,让第1式和第4式联立方程,第2式和第5式联立方程,第3式和第6式联立方程,这样解得三组E、r值,取其平均值作为电池的电动势E和内阻r。(2)图象法:在坐标纸上以路端电压U为纵轴、干路电流I为横轴建立U-I坐标系,在坐标平面内描出各组(I,U
3、)值所对应的点,然后尽量多地通过这些点作一条直线,不在直线上的点大致均匀分布在直线两侧,如图所示。图线与纵轴交点为E。图线与横轴交点为I短=Er。图线的斜率的绝对值表示r=UI。5.误差分析(1)偶然误差由于读数不准和电表接线不良引起的误差。用图象法求E和r时,由于作图不准确造成的误差。测量过程中通电时间过长或电流过大,都会引起E、r变化。(2)系统误差由电压表和电流表内阻影响而导致的误差。若采用如图甲所示的电路,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。但实验中忽略了通过电压表的电流IV,因此形成误差,而且电压表示数越大,IV越大。 甲乙结论:a.当电压表示数为
4、零时,IV=0,IA=I短,短路电流测量值=真实值。b.E测E真。c.因为r测=E测I短,所以r测r真。从电路的角度看,电压表应看成内电路的一部分,故实际测出的是电池和电压表这一整体的等效内阻和电动势(r测和E测),如图乙所示,因为电压表和电池并联,所以r测小于电池内阻r真,因为外电阻R断开时,a、b两点间电压Uab等于电动势E测,此时电源与电压表构成回路,所以UabE真,即E测E真。若采用如图丙所示的电路,IA为通过电源的电流真实值,理论上有E=U+UA+IAr,其中UA不可知,因此造成误差,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。 丙丁结论:a.E为真实
5、值。b.I短测r真,r测为r真和RA的串联值,由于通常情况下电池的内阻较小,所以这时r测的测量误差非常大。6.注意事项(1)为了使电池的路端电压变化明显,电池的内阻宜大些(选用已使用过一段时间的干电池)。(2)在实验时,电流不能过大,通电时间不能太长,以免对E和r产生较大影响。(3)要测出不少于6组的(I,U)数据,且变化范围要大些,然后用方程组求解,并求平均值。(4)画U-I图线时,由于读数的偶然误差,描出的点不在一条直线上,在作图时应使图线通过尽可能多的点,并使不在直线上的点均匀分布在直线的两侧,个别偏离直线太远的点可舍去。这样就可使偶然误差得到部分抵消,从而提高精确度。(5)由于干电池的
6、内阻较小,路端电压U的变化也较小,这时画U-I图线时,纵轴的刻度可以不从零开始,而是根据测得的数据从某一恰当值开始(横坐标I必须从零开始),但这时图线在横轴的截距不再是短路电流,而在纵轴的截距仍为电源电动势,图线斜率的绝对值仍为电源的内阻。【最新高考真题解析】1(2020年山东卷)实验方案对实验测量的精度有直接的影响,某学习小组对“测量电源的电动势和内阻”的实验方案进行了探究。实验室提供的器材有:干电池一节(电动势约1.5 V,内阻小于1 );电压表V (量程3 V,内阻约3 k);电流表A (量程0.6 A,内阻约1 );滑动变阻器R (最大阻值为20 );定值电阻R1 (阻值2 );定值电
7、阻R2 (阻值5 );开关一个,导线若干。(1)该小组按照图甲所示的电路进行实验,通过调节滑动变阻器阻值使电流表示数逐渐接近满偏,记录此过程中电压表和电流表的示数,利用实验数据在U-I坐标纸上描点,如图乙所示,结果发现电压表示数的变化范围比较小,出现该现象的主要原因是_。(单选,填正确答案标号) A电压表分流B干电池内阻较小C滑动变阻器最大阻值较小D电流 表内阻较小(2)针对电压表示数的变化范围比较小的问题,该小组利用实验室提供的器材改进了实验方案,重新测量得到的数据如下表所示。序号1234567I/A0.080.140.200.260.320.360.40U/V1.351.201.050.8
8、80.730.710.52请根据实验数据,回答以下问题:答题卡的坐标纸上已标出后3组数据对应的坐标点,请在答题卡的坐标纸上标出前4组数据对应的坐标点并画出U-I图像_。根据实验数据可知,所选的定值电阻为_ (填“R1”或“R2”)。用笔画线代替导线,请在答题卡上按照改进后的方案,将实物图连接成完整电路_。【答案】 (1). B (2). (3). R1 (4). 【解析】【详解】(1)电压表示数变化过小,则原因是外电阻比内阻大的多,即电源内阻偏小,故选B。(2)根据数据做出U-I图像如图;由图像可知电源内阻小于1,则定值电阻大于1.63,可知定值电阻R1;定值电阻与电源串联,电路如图; 2.(
9、2020年天津卷)某实验小组选用以下器材测定电池组的电动势和内阻,要求测量结果尽量准确。电压表 (量程,内阻约为)电流表 (量程,内阻约为)滑动变阻器 (,额定电流)待测电池组 (电动势约为,内阻约为)开关、导线若干该小组连接的实物电路如图所示,经仔细检查,发现电路中有一条导线连接不当,这条导线对应的编号是_。改正这条导线的连接后开始实验,闭合开关前,滑动变阻器的滑片P应置于滑动变阻器的_端(填“a”或者“b”)实验中发现调节滑动变阻器时,电流表读数变化明显但电压表读数变化不明显。为了解决这个问题,在电池组负极和开关之间串联一个阻值为的电阻,之后该小组得到了几组电压表读数U和对应的电流表读数I
10、,并作出图像,如图所示。根据图像可知,电池组的电动势为_V,内阻为_。(结果均保留两位有效数字)【答案】 (1). 5 (2). a (3). 2.9 (4). 0.80【解析】【详解】1因为电源内阻较小,故对于电源来说应该采用电流表外接法,图中采用的是电流表内接;故导线5连接不当,应该从电压表正接线柱接到电流表正接线柱;2开始实验前应该让滑动变阻器连入电路阻值最大,故应将滑片置于a端;34由图线可知图线与纵轴的交点即为电源电动势,故E=2.9V;图线与横轴的交点为短路电流I=0.50A,故可得等效内阻为又因为在开关和电池负极之间接有的电阻,在计算过程中等效为内阻,故电源内阻为3.(2020年
11、浙江卷)某同学分别用图甲和图乙的电路测量同一节干电池的电动势和内阻。(1)在答题纸相应的方框中画出图乙的电路图_;(2)某次测量时电流表和电压表的示数如图所示,则电流_,电压_;(3)实验得到如图所示的两条直线,图中直线对应电路是图1_(选填“甲”或“乙”);(4)该电池的电动势_V(保留三位有效数字),内阻_(保留两位有效数字)。【答案】 (1). (2). 0.390.41 (3). 1.291.31 (4). 乙 (5). 1.511.54 (6). 0.520.54【解析】【详解】(1)1图乙中,电流表内接和变阻器串联接在电源两端,电压表测路段电压,则图乙对应的电路图为(2)23一节干
12、电池的电动势一般约为1.5V,故电压表量程选择03V,电流表量程选择00.6A,所以量表的读数分别为1.30V(1.291.31V均可),0.40A(0.390.41A均可)(3)4由闭合电路欧姆定律可得可得U-I图象的纵轴截距为电源电动势,斜率为电源内阻。图甲中电流表外接,则实验测得的电源内阻测量值偏大;图乙中电路测量值偏小,但是由于,故图乙实验测出的内阻误差更小,故图线对应图乙,图线对应的图甲。(4)5图线与纵轴的交点为电源的电动势E=1.52V ;6在图线与横轴的交点为短路电流I=2.86A由,此实验原理无误差。4.(2020年北京卷)用图1所示的甲、乙两种方法测量某电源的电动势和内电阻
13、(约为1)。其中R为电阻箱,电流表的内电阻约为0.1,电压表的内电阻约为3k。(1)利用图1中甲图实验电路测电源的电动势E和内电阻r,所测量的实际是图2中虚线框所示“等效电源”的电动势和内电阻。若电流表内电阻用表示,请你用E、r和RA表示出、,并简要说明理由_。(2)某同学利用图像分析甲、乙两种方法中由电表内电阻引起的实验误差。在图3中,实线是根据实验数据(图甲:U=IR,图乙:)描点作图得到的U-I图像;虚线是该电源的路端电压U随电流I变化的U-I图像(没有电表内电阻影响的理想情况)。在图3中,对应图甲电路分析的U-I图像是:_;对应图乙电路分析的U-I图像是:_。(3)综合上述分析,为了减
14、小由电表内电阻引起的实验误差,本实验应选择图1中的_(填“甲”或“乙”)。【答案】 (1). ,理由见解析 (2). C (3). A (4). 乙【解析】【详解】(1)1将电源和电流表视为等效电源,电源电动势是电源本身具有的属性,电流表不具有产生电动势的本领,所以等效电源的电动势仍然为而电流表的内阻和电动势的内阻作为等效电源的内阻,即(2)2对甲图,考虑电表内阻时,根据闭合电路欧姆定律得变形得直接通过实验获得数据,可得图像与纵轴截距均为电源电动势,虚线对应的斜率大小为,实线对应的斜率大小为,所以对应图甲电路分析的图像是C;3对乙图,考虑电表内阻时(即虚线对应的真实情况),根据闭合电路欧姆定律
15、得变形得直接通过实验获得数据,可得虚线对应的斜率大小为,实线对应的斜率大小为,虚线对应的纵轴截距为,实线对应的纵轴截距为;两图线在时,对应的短路电流均为,所以对应图乙电路分析的图像是A。(3)4图甲虽然测量的电源电动势准确,但电流表分压较为明显,所以内阻测量的误差很大;图乙虽然电动势和内阻测量均偏小,但是电压表内阻很大,分流不明显,所以电动势和内阻的测量误差较小,所以选择图乙可以减小由电表内电阻引起的实验误差。【典例1】为了测量一节干电池的电动势和内阻,某同学采用了伏安法,现备有下列器材:A.被测干电池一节B.电流表1:量程为00.6 A,内阻r=0.3 C.电流表2:量程为00.6 A,内阻
16、约为0.1 D.电压表1:量程为03 V,内阻未知E.电压表2:量程为015 V,内阻未知F.滑动变阻器1:010 ,允许通过的最大电流为2 AG.滑动变阻器2:0100 ,允许通过的最大电流为1 AH.开关、导线若干在用伏安法测电池电动势和内阻的实验中,由于电流表和电压表内阻的影响,测量结果存在系统误差;在现有器材的条件下,要尽可能准确地测量电池的电动势和内阻。(1)在上述器材中请选择适当的器材:(填写选项前的字母)。(2)实验电路图应选择下图中的(选填“甲”或“乙”)。甲乙丙(3)根据实验中电流表和电压表的示数得到了如图丙所示的U-I图象,则干电池的电动势E=V,内阻r=。【答案】(1)A
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