2024年高考物理第一輪復(fù)習(xí)：創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課(12)　測量電源的電動勢和內(nèi)阻

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課12

測量電源的電動勢和內(nèi)阻一、實(shí)驗(yàn)基本技能1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)掌握用電壓表和電流表測量電源電動勢和內(nèi)阻的方法．(2)學(xué)會用圖像法求電源的電動勢和內(nèi)阻．實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識C3．實(shí)驗(yàn)器材電池(待測電源)、電壓表、電流表、滑動變阻器、開關(guān)、導(dǎo)線、坐標(biāo)紙和刻度尺．4．實(shí)驗(yàn)步驟以方法1(伏安法)為例：(1)根據(jù)電路圖甲，電流表用0.6A的量程，電壓表用3V的量程，連接好電路，如圖乙所示．(2)把滑動變阻器的滑片移到其接入電路阻值最大的一端．(3)閉合開關(guān)，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)．用同樣的方法再測量幾組I、U值，填入表格中．(4)斷開開關(guān)，拆除電路，整理好器材．二、規(guī)律方法總結(jié)1．?dāng)?shù)據(jù)處理本實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的處理方法：一是聯(lián)立方程求解的公式法，二是描點(diǎn)畫圖法．第1組第2組第3組第4組第5組第6組U/VI/A2．誤差分析(1)偶然誤差①由讀數(shù)不準(zhǔn)引起的誤差．②用圖像法求E和r時(shí)，由于作圖不準(zhǔn)確造成的誤差．③測量過程中通電時(shí)間過長或電流過大，都會引起E、r變化．3．注意事項(xiàng)(1)為了使電池的路端電壓變化明顯，應(yīng)選內(nèi)阻稍大些的電池(選用已使用過一段時(shí)間的干電池)．(2)在實(shí)驗(yàn)中不要將I調(diào)得過大，每次讀完U和I的數(shù)據(jù)后應(yīng)立即斷開電源，以免干電池在大電流放電時(shí)極化現(xiàn)象嚴(yán)重，使得E和r明顯變化．(3)在畫U

I圖線時(shí)，要使盡可能多的點(diǎn)落在這條直線上，不在直線上的點(diǎn)應(yīng)對稱分布在直線兩側(cè)，可舍棄個(gè)別離直線較遠(yuǎn)的點(diǎn)，以減小偶然誤差．

(2020·山東卷)實(shí)驗(yàn)方案對實(shí)驗(yàn)測量的精度有直接的影響，某學(xué)習(xí)小組對“測量電源的電動勢和內(nèi)阻”的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了探究．實(shí)驗(yàn)室提供的器材有：干電池一節(jié)(電動勢約1.5V，內(nèi)阻小于1Ω)電壓表V(量程3V，內(nèi)阻約3kΩ)電流表A(量程0.6A，內(nèi)阻約1Ω)滑動變阻器R(最大阻值為20Ω)定值電阻R1(阻值2Ω)定值電阻R2(阻值5Ω)開關(guān)一個(gè)，導(dǎo)線若干．命題點(diǎn)一實(shí)驗(yàn)原理與操作C例

1(1)該小組按照圖甲所示的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器阻值使電流表示數(shù)逐漸接近滿偏，記錄此過程中電壓表和電流表的示數(shù)，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在U

I坐標(biāo)紙上描點(diǎn)，如圖乙所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電壓表示數(shù)的變化范圍比較小，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是________．A．電壓表分流B．干電池內(nèi)阻較小C．滑動變阻器最大阻值較小D．電流表內(nèi)阻較小(2)針對電壓表示數(shù)的變化范圍比較小的問題，該小組利用實(shí)驗(yàn)室提供的器材改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)方案，重新測量得到的數(shù)據(jù)如下表所示．序號1234567I/A0.080.140.200.260.320.360.40U/V1.351.201.050.880.730.710.52請根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，回答以下問題：①圖丙中已標(biāo)出后3組數(shù)據(jù)對應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)，請標(biāo)出前4組數(shù)據(jù)對應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)并畫出U

I圖像．②根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，所選的定值電阻為________(填“R1”或“R2”)．③用筆畫線代替導(dǎo)線，請按照改進(jìn)后的方案，將實(shí)物圖(圖丁)連接成完整電路．解析：(1)電壓表示數(shù)的變化范圍小，原因是外電阻的阻值遠(yuǎn)大于電源內(nèi)阻，選項(xiàng)B正確．(2)①根據(jù)數(shù)據(jù)描點(diǎn)并連成一條直線，如圖1所示．圖1

圖3

在選擇實(shí)驗(yàn)電路時(shí)，也可根據(jù)內(nèi)接法和外接法的選擇方法去選擇，只是現(xiàn)在的測量對象是電源，如果電源內(nèi)阻很小就用外接法，如果電源內(nèi)阻很大就用內(nèi)接法，滑動變阻器用的是限流法，要想調(diào)節(jié)方便，還能大范圍調(diào)節(jié)，需要滑動變阻器的電阻比電源內(nèi)阻大幾倍就可．題后反思[對點(diǎn)演練]1．為測定一節(jié)新干電池的電動勢和內(nèi)電阻(已知該干電池的內(nèi)電阻相當(dāng)小，額定電流為0.7A)，可供選擇的器材有：A．電壓表：量程3V，內(nèi)阻為10kΩB．電壓表：量程15V，內(nèi)阻為20kΩC．電流表：量程0.8A，內(nèi)阻約為0.5ΩD．電流表：量程3A，內(nèi)阻約為0.2ΩE．滑動變阻器：最大電阻10Ω，額定電流0.7AF．滑動變阻器：最大電阻2kΩ，額定電流2AG．定值電阻R0＝1ΩH．開關(guān)、導(dǎo)線若干(1)要使實(shí)驗(yàn)誤差較小且操作方便，可選擇的器材是________(填字母代號)．(2)圖中的電路圖應(yīng)選擇________．解析：(1)一節(jié)干電池的電動勢約為1.5V，則電壓表選3V的量程；應(yīng)用伏安法測一節(jié)干電池電動勢與內(nèi)阻時(shí)，最大電流約為零點(diǎn)幾安培，則電流表選擇0.8A的量程；為方便實(shí)驗(yàn)操作，滑動變阻器應(yīng)選E；為了準(zhǔn)確測量應(yīng)接入定值電阻等效為電源內(nèi)阻再進(jìn)行測量；同時(shí)還需要開關(guān)和導(dǎo)線．故所用儀器為A、C、E、G、H.(2)因干電池的內(nèi)電阻相當(dāng)小，電壓表的讀數(shù)變化很小，將定值電阻與電源串聯(lián)以增大等效內(nèi)阻．由于電流表的內(nèi)阻未知，為減小誤差，應(yīng)采用相對電源的外接法，故電路圖應(yīng)選擇D項(xiàng)．答案：(1)ACEGH

(2)D

(2021·北京海淀區(qū)高三二模)在測量一節(jié)干電池的電動勢和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)中，可選用的器材有：A．電壓表V：0～3V，內(nèi)阻約3kΩB．電流表A1：0～0.6A，內(nèi)阻約0.1ΩC．電流表A2：0～3A，內(nèi)阻約0.01ΩD．滑動變阻器R1：0～100ΩE．滑動變阻器R2：0～15ΩF．開關(guān)S和導(dǎo)線若干．命題點(diǎn)二數(shù)據(jù)處理與誤差分析C例

2(1)電流表應(yīng)選用________，滑動變阻器應(yīng)選用________；(選填項(xiàng)目前的符號)(2)用所選器材按照圖1連接好電路后，將滑動變阻器滑片置于合適位置，閉合開關(guān)S，通過調(diào)整滑動變阻器，得到多組電流I和電壓U.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出如圖2所示的U

I圖像，由圖線可求出E＝________V，r＝________Ω；(結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)(3)通過以上測量方法求得的結(jié)果會存在誤差，其中由電表引起的誤差不能通過多次測量取平均值的方法減?。铝姓f法中正確的是________．A．由于電流表的分壓作用，使電動勢的測量值小于真實(shí)值B．由于電流表的分壓作用，使電動勢的測量值大于真實(shí)值C．由于電壓表的分流作用，使內(nèi)阻的測量值小于真實(shí)值D．由于電壓表的分流作用，使內(nèi)阻的測量值大于真實(shí)值(3)實(shí)驗(yàn)電路采用的是外接法測電源電動勢與內(nèi)阻，由于引起誤差的原因?yàn)殡妷罕矸至?，?dāng)外電阻越小時(shí)，電壓表分流越小，短路時(shí)，電流的測量值與真實(shí)值相等，外電阻越大時(shí)，電壓表分流越大，則測量的內(nèi)阻為電壓表與電源真實(shí)內(nèi)阻并聯(lián)的值，所以內(nèi)阻的測量值偏小，測量的電動勢為斷路時(shí)電壓表兩端的電壓，所以測量的電動勢偏小，則C正確；ABD錯(cuò)誤．答案：(1)B

E

(2)1.48～1.50

0.750～0.790

(3)C題后反思[對點(diǎn)演練]2．在“測定電源的電動勢和內(nèi)阻”的實(shí)驗(yàn)中：(1)按圖甲所示的實(shí)驗(yàn)電路，用筆畫線代替導(dǎo)線把圖乙中的實(shí)物電路連接完整．(2)圖丙是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出的U-I圖像，由圖可知，電源的電動勢E＝________V，內(nèi)阻r＝________Ω.3．(2020·浙江卷)某同學(xué)分別用圖1甲和圖1乙的電路測量同一節(jié)干電池的電動勢和內(nèi)阻．(1)請畫出圖1乙的電路圖；圖1(2)某次測量時(shí)電流表和電壓表的示數(shù)如圖2所示，則電流I＝________A，電壓U＝________V；(3)實(shí)驗(yàn)得到如圖3所示的兩條直線，圖中直線Ⅰ對應(yīng)電路是圖1________(選填“甲”或“乙”)；(4)該電池的電動勢E＝________V(保留三位有效數(shù)字)，內(nèi)阻r＝________Ω(保留兩位有效數(shù)字)．解析：(1)如圖所示．(2)測電池的電動勢和內(nèi)阻所用電流表量程為0～0.6A，電壓表量程為0～3V，則兩表示數(shù)分別為0.40A(0.39A～0.41A都正確)、1.30V(1.29V～1.31V均正確)．(3)由E＝U＋I(xiàn)r，得U＝－rI＋E，即Ⅰ、Ⅱ兩圖線的斜率絕對值表示電源內(nèi)阻，且rⅡ>rⅠ.圖甲中由于電流表的分壓作用，所測電阻為電源內(nèi)阻與電流表電阻的和，r甲測>r；圖乙中由于電壓表的分流作用，所測電阻為電源內(nèi)阻與電壓表電阻的并聯(lián)值，r乙測<r.故直線Ⅰ對應(yīng)乙電路，直線Ⅱ?qū)?yīng)甲電路．(4)由圖像可知，電源內(nèi)阻較小，測一節(jié)干電池的電動勢與內(nèi)阻應(yīng)采用乙電路，將直線Ⅰ延長，與縱軸的截距表示電動勢，E＝1.52V(1.51V～1.54V均正確)；從直線Ⅰ上取兩點(diǎn)代入E＝U＋I(xiàn)r，或利用圖線的斜率可得電池內(nèi)阻r＝0.53Ω(0.52Ω～0.54Ω均正確)．答案：(1)如解析圖所示(2)0.40(0.39～0.41均正確)

1.30(1.29～1.31均正確)

(3)乙(4)1.52(1.51～1.54均正確)

0.53(0.52～0.54均正確)命題點(diǎn)三創(chuàng)新拓展實(shí)驗(yàn)C實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新圖(a)利用圓形時(shí)鐘表盤和電阻絲替代電阻箱測電池的電動勢和內(nèi)阻.實(shí)驗(yàn)原理的創(chuàng)新1.利用圖甲測量Rx.2.利用圖乙測量電源的電動勢和內(nèi)阻.

(2021·湖南卷)某實(shí)驗(yàn)小組需測定電池的電動勢和內(nèi)阻，器材有：一節(jié)待測電池、一個(gè)單刀雙擲開關(guān)、一個(gè)定值電阻(阻值為R0)、一個(gè)電流表(內(nèi)阻為RA)、一根均勻電阻絲(電阻絲總阻值大于R0，并配有可在電阻上移動的金屬夾)、導(dǎo)線若干．由于缺少刻度尺，無法測量電阻絲長度，但發(fā)現(xiàn)桌上有一個(gè)圓形時(shí)鐘表盤．某同學(xué)提出將電阻絲繞在該表盤上，利用圓心角來表示接入電路的電阻絲長度．主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)將器材如圖(a)連接：例

3(2)開關(guān)閉合前，金屬夾應(yīng)夾在電阻絲的________端(填“a”或“b”)；(3)改變金屬夾的位置，閉合開關(guān)，記錄每次接入電路的電阻絲對應(yīng)的圓心角θ和電流表示數(shù)I，得到多組數(shù)據(jù)；(4)整理數(shù)據(jù)并在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)繪圖，所得圖像如圖(b)所示，圖線斜率為k，縱軸截距為d，設(shè)單位角度對應(yīng)電阻絲的阻值為r0.該電池電動勢和內(nèi)阻可表示為E＝________，r＝________；(用R0、RA、k、d、r0表示)(5)為進(jìn)一步確定結(jié)果，還需要測量單位角度對應(yīng)電阻絲的阻值r0，利用現(xiàn)有器材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在圖(c)方框中畫出實(shí)驗(yàn)電路圖(電阻絲用滑動變阻器符號表示)；(6)利用測出的r0，可得該電池的電動勢和內(nèi)阻．(5)實(shí)驗(yàn)器材中有定值電阻R0和單刀雙擲開關(guān)，考慮使用等效法測量電阻絲的電阻值，如圖所示：原理的簡單說明：①先將單刀雙擲開關(guān)接1，讀出電流表示數(shù)I0；②然后將單刀雙擲開關(guān)接2，調(diào)節(jié)電阻絲接入電路的角度，直到電流表示數(shù)為I0，讀出此時(shí)角度θ；③此時(shí)θr0＝R0，即可求得r0的數(shù)值．[對點(diǎn)演練]4．(實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新)某課外活動小組利用銅片、鋅片和橙汁制作了橙汁電池，并利用所學(xué)知識設(shè)計(jì)電路測量該電池的電動勢E和內(nèi)阻r.他們在一個(gè)玻璃器皿中放入橙汁，在橙汁中相隔一定距離插入銅片和鋅片作為橙汁電池的正、負(fù)極．使用的器材有：A．毫安表(量程0～3mA，內(nèi)阻未知)B．滑動變阻器R1(最大阻值為500Ω)C．電阻箱R2(阻值范圍為0～999.9Ω)D．開關(guān)和導(dǎo)線若干該小組成員分析發(fā)現(xiàn)，由于毫安表的內(nèi)阻未知，所以無法直接測量該橙汁電池的電動勢和內(nèi)阻，經(jīng)過思考后，該小組設(shè)計(jì)了如圖甲所示的電路，先測出該毫安表的內(nèi)阻Rg、再測量橙汁電池的電動勢E和內(nèi)阻r.(1)請按照圖甲所示的電路圖，用筆畫線代替導(dǎo)線，將圖乙實(shí)物圖中的滑動變阻器接入電路，要求當(dāng)滑動變阻器的滑片滑到最右端時(shí)．滑動變阻器接入電路的阻值最大．(2)該小組連接好電路后，首先對毫安表的內(nèi)阻Rg進(jìn)行測量，請完善測量步驟．①將滑動變阻器R1的滑片滑至最右端，斷開開關(guān)S2，閉合開關(guān)S1；②滑動滑動變阻器R1的滑片，使毫安表的指針達(dá)到滿偏；③保持________________________不變，閉合開關(guān)S2，調(diào)節(jié)電阻箱R2的阻值，使毫安表的示數(shù)達(dá)到滿偏電流的一半；④讀出此時(shí)電阻箱R2的示數(shù)，即可求得毫安表的內(nèi)阻Rg.(3)該小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)毫安表的電流達(dá)到滿偏電流的一半時(shí)，電阻箱的示數(shù)為50.0Ω，則毫安表的內(nèi)阻Rg＝________Ω，用此種方法測得的毫安表的內(nèi)阻與其真實(shí)值相比，測量值________(填“大于”“