第7章恆定電流第6課時實驗

2023-01-10 16:36:03 字數 4689 閱讀 1669

基礎知識歸納

1.實驗目的:測定電池的電動勢和內阻.

2.實驗原理:如圖1所示,改變r的阻值,從電壓表和電流錶中讀出幾組u、i值,利用閉合電路的歐姆定律求出幾組e、r值,最後分別算出它們的平均值.

此外,還可以用作圖法來處理資料,即在座標紙上以i為橫座標,u為縱座標,用測出的幾組i、u值畫出u-i圖象(如圖2).所得直線跟縱軸的交點即為電動勢值,圖線斜率的絕對值即為內阻r的值.

圖1        圖2

3.實驗器材:待測電池,電壓表(0~3 v),電流錶(0~0.6 a),滑動變阻器(10 ω),電鍵,導線.

4.實驗步驟:

(1)電流錶用0.6 a量程,電壓表用3 v量程,按電路圖連線好電路.

(2)把變阻器的滑動片移到阻值最大的一端.

(3)閉合電鍵,調節變阻器,使電流錶有明顯示數,記錄一組資料(i1、u1),用同樣方法測量幾組i、u的值.

(4)開啟電鍵,整理好器材.

(5)處理資料:用公式法和作圖法求出電動勢和內阻的值.

5.注意事項:

(1)為了使電池的路端電壓變化明顯,電池的內阻宜大些,可選用已使用過一段時間的1號乾電池.

(2)乾電池在大電流放電時,電動勢 e會明顯下降,內阻r會明顯增大,故長時間放電不宜超過0.3 a,短時間放電不宜超過0.5 a.

因此,實驗中不要將i調得過大,讀電表要快,每次讀完後立即斷電.

(3)要測出不少於6組的i、u資料,且變化範圍要大些,用方程組求解時,要將測出的i、u資料中,第1和第4為一組,第2和第5為一組,第3和第6為一組,分別解出e、r值再取平均值.

(4)在畫u-i圖線時,要使較多的點落在這條直線上或使各點均勻分布在直線的兩側.個別偏離直線太遠的點可捨去不予考慮.這樣,就可使偶然誤差得到部分的抵消,從而提高精確度.

(5)乾電池內阻較小時路端電壓u的變化也較小,即不會比電動勢小很多,這時,在畫u-i圖線時,縱軸的刻度可以不從零開始,而是根據測得的資料從某一恰當值開始(橫座標i必須從零開始).但這時圖線和橫軸的交點不再是短路電流.不過直線斜率的絕對值照樣還是電源的內阻,這時要特別注意計算斜率時縱軸的刻度不從零開始.

6.誤差**及分析:

(1)公式法

根據閉合電路的歐姆定律:e=u+ir,電壓表的示數準確,而電流錶的示數比通過電源的實際電流小,所以系統誤差是由電壓表的分流引起的.

根據閉合電路的歐姆定律,由兩次測量列方程為

解得e測=,r測=

考慮電壓表的分流影響,並設電壓表的內阻為rv,

應用閉合電路的歐姆定律,有

式中的e與r是電動勢和內阻的真實值.

解得e=r=

比較得 e測(2)圖象法

畫出電源的u-i測量線和真實線如右圖所示.測量圖線為實線ab,真實圖線為虛線a′b.由圖線可以看出r和e的測量值都小於真實值,即r測為了減小這個系統誤差, 滑動變阻器r阻值應該小一些,電壓表的內阻應該大些.

重點難點突破

測定電池電動勢和內阻的方法及相應方法的原理和誤差分析

一、用電壓表、電流錶測e、r

1.電路圖:

2.原理和圖象e=u+ir

3.誤差分析

說明:用e′表示電池電動勢的測量值,e表示電池電動勢的真實值;用r′表示電池內阻的測量值,r表示電池內阻的真實值.

(1)外接法誤差分析

ⅰ.等效法(公式法和圖象法見「誤差**及分析」)

rv≠∞電壓表分流

rrv時1e′≈e r′≈r

(2)內接法誤差分析:

ⅰ.等效法

ra≠0電流錶分壓

rra時1r′≈r.由於r和ra相差不大,所以該方法的測r時的誤差很大.

ⅱ.圖象法

電源的u-i測量線和真實線如右圖所示.測量圖線為實線,真實圖線為虛線.由圖線可以看出e測=e真,r測》r真

二、用電壓表、電阻箱測e、r

1.電路圖:

2.原理和圖象e=u+r

3.誤差分析

該方法系統誤差產生的原因是電壓表分流,與上述「伏安法」中的外接情況相同.所以

e′當rrv時1e′≈e r′≈r

三、用電流錶、電阻箱測e、r

1.電路圖:

2.原理和圖象

e=i(r+r)

3.誤差分析

該方法系統誤差產生的原因是電流錶分壓,與上述「伏安法」中的內接情況相同.所以

e′=e,r′=r+ra>r

典例精析

1.用電表和電阻箱測e、r

【例1】有一特殊電池,它的電動勢約為9 v,內阻約為40 ω,已知該電池允許輸出的最大電流為50 ma.為了測定這個電池的電動勢和內阻,某同學利用圖示電路進行實驗,圖中電流錶的內阻ra=5 ω,r為電阻箱,阻值範圍0~999.9 ω,r0為定值電阻,對電源起保護作用.

(1)本實驗中的r0應選    (填字母).

a.10b.50 ω

c.150d.500 ω

(2)該同學接入符合要求的r0後,閉合開關s,調整電阻箱的阻值,讀取電流錶的示數,記錄多組資料,作出了如上圖所示的圖線,則根據圖線可求得該電池的電動勢為e=   v,內阻r=    ω.

【解析】(1)當滑動變阻器接入電路的阻值為零時,電路中的電流不能超過50 ma,即電路中電阻的最小值為180 ω,除去電源內阻約為40 ω、圖中電流錶的內阻ra=5 ω,c選項最為合適.

(2)原理:u外=e-ir推出i(r0+r)=e-i(r+ra)

變形得:

由圖得:=斜率=得e=10 v,與縱軸的截距為5=,推出r=45 ω

【答案】(1)c (2)10;45

【思維提公升】測定電源電動勢與內阻的實驗中,處理資料的方法在高考中往往以圖象法處理為主,所以要對函式表示式進行推導、變形等,得出我們可以處理的函式圖線.

【拓展1】甲同學設計了如圖所示的電路測電源電動勢e及電阻r1和r2的阻值.實驗器材有:待測電源e(不計內阻),待測電阻r1,待測電阻r2,電壓表v(量程為1.

5 v,內阻很大),電阻箱r(0~99.99 ω),單刀單擲開關s1,單刀雙擲開關s2,導線若干.

①先測電阻r1的阻值.請將甲同學的操作補充完整:閉合s1,將s2切換到a,調節電阻箱,讀出其示數r和對應的電壓表示數u1,保持電阻箱示數不變,,讀出電壓表的示數u2.

則電阻r1的表示式為.

②甲同學已經測得電阻r1=4.8 ω,繼續測電源電動勢e和電阻r2的阻值.該同學的做法是:

閉合s1,將s2切換到a,多次調節電阻箱,讀出多組電阻箱示數r和對應的電壓表示數u,由測得的資料,繪出了如圖所示的圖線,則電源電動勢e= 1.43或10/7 v,電阻r2= 1.2 ω.

③利用甲同學設計的電路和測得的電阻r1,乙同學測電源電動勢e和電阻r2的阻值的做法是:閉合s1,將s2切換到b,多次調節電阻箱,讀出多組電阻箱示數r和對應的電壓表示數u,由測得的資料,繪出相應的圖線,根據圖線得到電源電動勢e和電阻r2.這種做法與甲同學的做法比較,由於電壓表測得的資料範圍較小 (選填「較大」、「較小」或「相同」),所以甲同學的做法更恰當些.

【例2】某同學通過查詢資料自己動手製作了乙個電池.該同學想測量一下這個電池的電動勢e 和內阻r,但是從實驗室只借到乙個開關、乙個電阻箱(最大阻值為999.9 ω,可當標準電阻用)、乙個電流錶(量程ig=0.

6 a,內阻rg=0.1 ω)和若干導線.

(ab)

(1)請根據測定電動勢e和內阻r的要求,設計圖(a)中器件的連線方式,畫線把它們連線起來.

(2)接通開關,逐次改變電阻箱的阻值r,讀出與r對應的電流錶的示數i,並作記錄.當電阻箱的阻值r=2.6 ω時,其對應的電流錶的示數如圖(b)所示.

處理實驗資料時,首先計算出每個電流值i 的倒數,再製作r-座標圖,如圖(c)所示,圖中已標註出了(r,)的幾個與測量對應的座標點.請你將與圖(b)實驗資料對應的座標點也標註在圖(c)上

(3)在圖(c)上把描繪出的座標點連成圖線

(4)根據圖(c)描繪出的圖線可得出這個電池的電動勢

e=    v,內阻r=    ω.

【解析】根據閉合電路的歐姆定律,測量電源的電動勢和內阻,需要得到電源的路端電壓和通過電源的電流,在本實驗中沒有電壓表,但是可以用電阻箱和電流錶串聯充當電壓表,測量電源的路端電壓,通過電流錶的電流也是通過電源的電流,所以只需要將電流錶和電阻箱串聯接在電源兩端即可.實物圖的連線如下圖所示.由閉合電路歐姆定律有:

e=i( r+r+rg),解得r=e·-(r+rg),根據r-1/i圖線可知:電源的電動勢等於圖線的斜率,內阻為縱軸負方向的截距減去電流錶的內阻.

【答案】(1)如圖所示

(2)、(3)見下圖

(4)1.50(1.46~1.54);0.30(0.25~0.35)

易錯門診

2.電壓表的另類使用

【例3】有兩個電壓表v1和v2,量程已知,內阻未知.另有一節乾電池,它的內阻不能忽略,但大小未知.試用這兩個電壓表、開關、導線測定這節乾電池的電動勢(已知電動勢不超過電壓表的量程).

(1)畫出測量時所用的電路圖.

(2)以測量的量為已知量,匯出計算電動勢的表示式.

【錯解】直接將電壓表接在電池兩端,電壓表的示數就是電動勢.

【錯因】對電源的電動勢沒有足夠的認識,本題中已明確電池的內阻不能忽略,且實際的電壓表的內阻不是無窮大,所以電壓表直接接在電池兩端時,電壓表的示數應為路端電壓,小於電池的電動勢.

【正解】測電池的電動勢和內阻,一般採用多次測量(至少兩次),列方程組求解.只有兩個電壓表,沒有定值電阻,而且只要測出電源的電動勢,因此可以將兩個電壓表作為定值電阻.單獨使用v1或單獨使用v2和將v1和v2串聯使用.

現設計電路如圖所示.

其中u1表示單獨使用v1時的讀數,u1′表示v1和v2串聯時v1的讀數,u2表示v1和v2串聯時v2的讀數.

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