2024届高考物理一轮总复习第八章恒定电流第3讲实验专题系统化突破第3课时课标实验__测量电源的电动势和内阻学案.docx

第3课时课标实验测量电源的电动势和内阻把握经典实验方案一、基本原理与操作原理装置图操作要领(1)安装：按照原理装置图安装实验仪器(2)操作：闭合开关，改变滑动变阻器连入电路部分的阻值，测量多组(U、I)值(3)作图：坐标轴标度要适当，单位要标注，连线时要使各数据点均匀分布在图线的两侧，明显偏离图线的点要舍去二、核心关键数据处理公式法图像法画出电源的U-I图像，如图所示，由UrIE可知：(1)图线与纵轴交点为E(2)图线与横轴交点为I短(3)图线的斜率的绝对值表示内阻r融通多彩实验方案1鲁科版新教材科学测量：电源的电动势和内阻要点解读(1)教材只介绍了伏安法测量电源的电动势和内阻。(2)教材介绍了数据处理的两种方法：公式法和图像法。(3)教材在课后练习中涉及了伏阻法、安阻法测量电动势和内阻。2教科版新教材测量电源的电动势和内阻实验原理图要点解读(1)教材介绍了伏安法、安阻法测量电源的电动势和内阻。(2)教材介绍了数据处理的两种方法：公式法和图像法。(3)教材在“实践与拓展”栏目中引导学生自主设计用伏阻法测量电源的电动势和内阻的实验方案。归纳共性实验关键1不变的实验原理测量电动势和内阻的三种法：(1)伏安法：电压表、电流表、滑动变阻器组合使用。(2)安阻法：电流表、电阻箱组合使用。(3)伏阻法：电压表、电阻箱组合使用。2必备的实验器材电池(待测电源)、电压表、电流表、滑动变阻器、开关、导线、坐标纸。3通用的数据处理方法(1)公式法；(2)图像法。4共同的注意事项(1)为了使路端电压变化明显，可使用内阻较大的旧电池。(2)电流不要过大，应小于0.5 A，读数要快。(3)要测出不少于6组的(I，U)数据，变化范围要大些。(4)若U-I图线纵轴刻度不从零开始，则图线和横轴的交点不再是短路电流，内阻应根据r确定。5共同的误差分析(1)偶然误差：用图像法求E和r时作图不准确。(2)系统误差：电压表分流。(3)本实验中测量结果：E测<E真，r测<r真。一、基础考法保住分考查点(一)实验原理与操作1某物理兴趣小组准备测量一节干电池的电动势和内阻，实验室提供了如下器材：A电流表A1(量程03 mA，内阻为199 )B电流表A2(量程01 500 mA，内阻为1 )C电压表V(量程03 V，内阻很大)D滑动变阻器R1(阻值范围05 ，额定电流2 A)E滑动变阻器R2(阻值范围0500 ，额定电流1 A)F定值电阻R31 G定值电阻R41 k以及待测干电池，开关、导线若干。同学们根据提供的器材，设计了如图甲所示的实验电路图。(1)请根据电路图，将实物图中连线补充完整。(2)该小组查阅资料知干电池的内阻约为3 ，为了尽量减小误差且方便操作，图中电流表应选择_(填“A1”或“A2”)，滑动变阻器应选择_(填“R1”或“R2”)，定值电阻应选择_(填“R3”或“R4”)。(3)同学们利用上述实验装置测得了多组实验数据，并将电流表的读数作为横坐标，电压表的读数作为纵坐标，选取合适的标度，绘制了如图丙所示的图线。则该小组同学测定的干电池电动势E_V，内阻r_。(均填含有a、b、c的表达式)解析：(1)实物连线图如图所示。(2)因测量一节干电池的电动势，干电池的内阻约为3 ，因此电路的最大电流约为500 mA，因此选A2量程过大，因此要选择A1并联电阻改装电流表即可，则电流表选择A1；滑动变阻器R2阻值过大，不方便操作，则滑动变阻器选择R1；定值电阻选择R3以后可将电流表A1改为600 mA量程，满足实验要求。(3)若设电流表的读数为I，电压表读数为U，则电路中的总电流为200I，由闭合电路的欧姆定律：UE200rI，由图像可知Ea；|k|200r，解得r。答案：(1)见解析图(2)A1R1R3(3)a考查点(二)数据处理与误差分析2(2023·广州模拟)如图所示，某同学准备按该电路图选择合适的器材连接好后用来测量电源电动势和内阻。(1)开关闭合前滑动变阻器R的滑片滑到_(填“左侧”或“右侧”)。(2)根据实验测得的几组I、U数据作出U-I图像如图所示，由图像可确定：该电源的电动势为_V，电源的内阻为_(结果保留到小数点后两位)。(3)若该同学在实验中发现电压表坏了，于是不再使用电压表，而是选用电阻箱替换了滑动变阻器，重新连接电路进行实验。实验中读出几组电阻箱的阻值R以及对应的电流表的示数I，则该同学以R为横坐标，以_为纵坐标得到的函数图线是一条直线。这种方案测得的电动势的值与真实值相比，E测_E真(选填“”“”或“” )。解析：(1)为保护电路安全，由电路图可知，开关闭合前滑动变阻器R的滑片滑到左侧。(2)由图示电源U-I图像可知，图像与纵轴交点坐标值为1.40，则电源电动势为1.40 V。电源内阻r 0.57 。(3)电压表不能用，则变阻器换为电阻箱，由闭合电路欧姆定律得EI(rR)，得到R，则要以为纵轴，以R为横轴作图求解。因为使用的电路中电流表是测量的整个串联电路中的电流，是准确值，电阻箱的读数为准确值，测得的电动势的值等于真实值。答案：(1)左侧(2)1.400.57(3)3(2021·天津等级考)随着智能手机的广泛应用，充电宝成为手机及时充电的一种重要选择。充电宝可以视为与电池一样的直流电源。一充电宝的电动势约为5 V，内阻很小，最大放电电流为2 A，某实验小组测定它的电动势和内阻。他们剥开充电宝连接线的外绝缘层，里面有四根导线，红导线为充电宝的正极，黑导线为充电宝的负极，其余两根导线空置不用，另有滑动变阻器R用于改变电路中的电流，定值电阻R03 ，两只数字多用电表M、N，两表均为理想电表，并与开关S连成如图所示电路。(1)图中测量电流的电表是_，测量电压的电表是_。(均填写字母M或N)(2)调节滑动变阻器，测得多组I、U数据，记录如下表，其中只有一个数据记录有误，审视记录的数据，可以发现表中第_次的记录数据有误。(填测量次数的序号)次数1234567电流I/A0.2990.4770.6840.8771.0651.2811.516电压U/V4.9704.9524.9324.9424.8944.8724.848(3)电路中接入R0可以达到下列哪个效果_(填选项前的字母)。A使测电流的电表读数变化明显B为了更准确地测量充电宝内阻C避免使充电宝的放电电流过大D减小测量电压的电表分流作用解析：(1)器件N串联在电路中，测量干路电流，所以N为电流表；器件M一端接在开关上，另一端接在充电宝的负极，闭合开关后相当于并联在电源两端，所以M为电压表，测量路端电压；(2)题中表格的电流I不断增大，根据闭合电路的欧姆定律EUIr可知路端电压U不断减小，电压表的示数不断减小，所以第4次的记录数据有误；(3)因为充电宝的内阻很小，所以电阻R0串联在电路中，起保护电路的作用，避免使充电宝的放电电流过大损坏电路中的器件。故选C。答案：(1)NM(2)4(3)C二、创新考法不失分创新角度(一)实验目的的创新1某课外活动小组利用铜片、锌片和橙汁制作了橙汁电池，并利用所学知识设计电路测量该电池的电动势E和内阻r。他们在一个玻璃器皿中放入橙汁，在橙汁中相隔一定距离插入铜片和锌片作为橙汁电池的正、负极。使用的器材有：A毫安表(量程03 mA，内阻未知)；B滑动变阻器R1(最大阻值为500 )；C电阻箱R2(阻值范围为0999.9 )；D开关和导线若干。该小组成员分析发现，由于毫安表的内阻未知，所以无法直接测量该橙汁电池的电动势和内阻，经过思考后，该小组设计了如图甲所示的电路，先测出该毫安表的内阻Rg、再测量橙汁电池的电动势E和内阻r。(1)请按照图甲所示的电路图，用笔画线代替导线，将图乙实物图中的滑动变阻器接入电路，要求当滑动变阻器的滑片滑到最右端时。滑动变阻器接入电路的阻值最大。(2)该小组连接好电路后，首先对毫安表的内阻Rg进行测量，请完善测量步骤。将滑动变阻器R1的滑片滑至最右端，断开开关S2，闭合开关S1；滑动滑动变阻器R1的滑片，使毫安表的指针达到满偏；保持_不变，闭合开关S2，调节电阻箱R2的阻值，使毫安表的示数达到满偏电流的一半；读出此时电阻箱R2的示数，即可求得毫安表的内阻Rg。(3)该小组发现，当毫安表的电流达到满偏电流的一半时，电阻箱的示数为50.0 ，则毫安表的内阻Rg_，用此种方法测得的毫安表的内阻与其真实值相比，测量值_(填“大于”“小于”或“等于”)真实值。(4)该小组测得毫安表的内阻Rg之后，采用以下方法测量该橙汁电池的电动势E和内阻r。首先将电路中滑动变阻器的滑片移至最右端，然后多次改变电阻箱的阻值R得到了多组毫安表的电流I，根据测得的数据作出-图像，如图丙所示，则该电源的电动势E_V，内阻r_。创新点分析(1)测量橙汁电池的电动势和内阻。(2)利用半偏法测量毫安表的内阻。(3)利用-图像处理数据，得出E、r的值。 解析：(1)滑动变阻器的接法如图所示。(2)此种测量电阻的方法为半偏法，使用此方法测量未知电阻的阻值时，要求电路中其他元件的阻值不能发生变化，故应保持滑动变阻器接入电路的阻值不变。(3)当毫安表指针达到满偏后，再闭合开关S2时，认为电路中的总电流仍为毫安表的满偏电流Ig。当流过毫安表的电流达到满偏电流的一半时，由于电阻箱与毫安表为并联关系，故有IgRgIgR，所以RRg，因此当电阻箱的示数为50.0 时，毫安表的内阻也为50.0 。但此种方法存在系统误差，当滑动变阻器接入电路的阻值不变时，由于电阻箱的接入，整个电路中的阻值减小，电路中的总电流IIg，因此当毫安表的示数为Ig时，实际流过电阻箱的电流I箱Ig，由于IgRgI箱R，所以有RRg。(4)由闭合电路欧姆定律可得IR1IRgEIr，整理可得·，将Rg50.0 ，R1500 代入并结合图丙可得750× /A，750 A1，两式联立可解得E1.00 V，r200 。答案：(1)见解析图(2)滑动变阻器R1接入电路的阻值(3)50.0小于(4)1.00200创新角度(二)实验器材的创新2(2021·湖南高考)某实验小组需测定电池的电动势和内阻，器材有：一节待测电池、一个单刀双掷开关、一个定值电阻(阻值为R0)、一个电流表(内阻为RA)、一根均匀电阻丝(电阻丝总阻值大于R0，并配有可在电阻上移动的金属夹)、导线若干。由于缺少刻度尺，无法测量电阻丝长度，但发现桌上有一个圆形时钟表盘。某同学提出将电阻丝绕在该表盘上，利用圆心角来表示接入电路的电阻丝长度。主要实验步骤如下：(1)将器材如图甲连接：(2)开关闭合前，金属夹应夹在电阻丝的_端(填“a”或“b”)。(3)改变金属夹的位置，闭合开关，记录每次接入电路的电阻丝对应的圆心角和电流表示数I，得到多组数据。(4)整理数据并在坐标纸上描点绘图，所得图像如图乙所示，图线斜率为k，纵轴截距为d，设单位角度对应电阻丝的阻值为r0。该电池电动势和内阻可表示为E_，r_。(用R0、RA、k、d、r0表示)(5)为进一步确定结果，还需要测量单位角度对应电阻丝的阻值r0，利用现有器材设计实验，在图丙方框中画出实验电路图(电阻丝用滑动变阻器符号表示)。(6)利用测出的r0，可得该电池的电动势和内阻。创新点分析(1)电阻丝与圆形时钟表盘相结合替代电阻箱。(2)利用­图像测量E、r。解析：(2)开关闭合前，为了保护电路中的元件，应将电阻丝的最大阻值接入电路，根据电阻定律R，可知电阻丝接入越长，接入电阻越大，金属夹应夹在电阻丝的b端。(4)设圆心角为时，电阻丝接入电路中的电阻为r0，根据闭合电路欧姆定律EUIr可知，EI(RAR0r0)Ir，整理得，结合图像的斜率和截距满足：k，d，解得电源电动势和内阻分别为：E，rR0RA。(5)实验器材中有定值电阻R0和单刀双掷开关，考虑使用等效法测量电阻丝的电阻值，如图所示。原理的简单说明：先将单刀双掷开关接1，读出电流表示数I0；然后将单刀双掷开关接2，调节电阻丝接入电路的角度，直到电流表示数为I0，读出此时角度 ；此时r0R0，即可求得r0的数值。答案：(2)b(4)R0RA(5)见解析图创新角度(三)实验原理的创新3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03 V，内阻约3 k)；电流表A(量程00.6 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_。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/V1.351.201.050.880.730.710.52请根据实验数据，回答以下问题：图丙上已标出后3组数据对应的坐标点，请在图丙上标出前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，请按照改进后的方案，将图丁中的实物图连接成完整电路。创新点分析(1)用伏安法测量E和r时，U-I图线的斜率很小，说明内阻r很小。(2)为减小实验误差，给电源串联一个定值电阻，作为等效内阻。解析：(1)路端电压U·R，若电源内阻远小于外电路总电阻，则电压表示数总是接近电源的电动势，变化范围小，故B项正确。(2)根据数据描点并连成一条直线，如图甲所示。由图像可知E1.55 V，U0时I0.59 A，故r2.63 ，由于2 <r<5 ，又rrR(r为电源内阻，R为定值电阻)。故定值电阻只能是R1。先画出原理图，如图乙所示，然后依据原理图将各仪器依次连接起来。实物电路图连接如图丙所示。答案：(1)B (2)见解析图甲R1见解析图丙创新角度(四)数据处理的创新4(2021·全国乙卷)一实验小组利用图甲所示的电路测量一电池的电动势E(约为1.5 V)和内阻r(小于2 )。图中电压表量程为01 V，内阻RV380.0 ；定值电阻 R020.0 ；电阻箱R，最大阻值为999.9 ；S为开关。按电路图连接电路。完成下列填空：(1)为保护电压表，闭合开关前，电阻箱接入电路的电阻值可以选_(填“5.0”或“15.0”)。(2)闭合开关，多次调节电阻箱，记录下阻值R和电压表的相应读数U。(3)根据图甲所示电路，用R、R0、RV、E和r表示，得_。(4)利用测量数据，做­R图线，如图乙所示。(5)通过图乙可得E_V(保留2位小数)，r_(保留1位小数)。(6)若将图甲中的电压表当成理想电表，得到的电源电动势为E，由此产生的误差为×100%_%。创新点分析(1)定值电阻和已知内阻的电压表相结合，替代电流表。(2)利用-R图像确定电池的电动势和内阻的大小。解析：(1)要保护电压表，则R0两端的电压应小于1 V，通过R0的电流应小于等于0.05 A，故电路中的总电阻R总 30 ，所以电阻箱接入电路的阻值应选15.0 。(3)根据闭合电路欧姆定律可得，电动势EU(Rr)，整理得R。(5)延长题图乙中图线与纵轴相交，由R，结合题图乙可得， V1·1，解得E1.56 V，当R5 时，0.86 V1，代入R，可解得r1.5 。(6)若将电压表当成理想电表，则EU(Rr)，整理得R，则 V1·1，解得E1.48 V，由此产生的误差为×100%5%。答案：(1)15.0(3)R(5)1.561.5(6)5