(京津瓊魯專用)2018-2019學(xué)年高中物理 第二章 恒定電流 10 實驗:測定電池的電動勢和內(nèi)阻學(xué)案 新人教版必修2.doc
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10 實驗:測定電池的電動勢和內(nèi)阻 [學(xué)科素養(yǎng)與目標(biāo)要求] 物理觀念:知道測定電池的電動勢和內(nèi)阻的實驗原理:閉合電路的歐姆定律. 科學(xué)探究:1.根據(jù)“伏安法”測電源電動勢的原理,會選用實驗器材、正確連接電路、規(guī)范實驗操作.2.能進(jìn)行分組、自主、合作探究,并對信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理. 科學(xué)思維:1.會設(shè)計測電源電動勢和內(nèi)阻的“伏安法”、“安阻法”、“伏阻法”的電路圖.2.會用U-I圖象、-R圖象、-圖象處理數(shù)據(jù),通過對比思維,掌握各個圖象的斜率和截距的意義. 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:在實驗過程中保持很好地交流、合作,準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù),科學(xué)認(rèn)真地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理. 一、測定電池電動勢和內(nèi)阻的實驗方案設(shè)計 1.伏安法:由E=U+I(xiàn)r知,只要測出U、I的兩組數(shù)據(jù),就可以列出兩個關(guān)于E、r的方程,從而解出E、r,用到的器材有電池、開關(guān)、滑動變阻器、電壓表、電流表,電路圖如圖1所示. 2.安阻法:由E=IR+I(xiàn)r可知,只要能得到I、R的兩組數(shù)據(jù),列出關(guān)于E、r的兩個方程,就能解出E、r,用到的器材有電池、開關(guān)、電阻箱、電流表,電路圖如圖2所示. 圖1 圖2 圖3 3.伏阻法:由E=U+r知,如果能得到U、R的兩組數(shù)據(jù),列出關(guān)于E、r的兩個方程,就能解出E、r,用到的器材是電池、開關(guān)、電阻箱、電壓表,電路圖如圖3所示. 二、實驗操作與實驗數(shù)據(jù)的處理 1.實驗步驟(以伏安法為例) (1)電流表用0~0.6 A量程,電壓表用0~3 V量程,按實驗原理圖連接好電路. (2)把滑動變阻器的滑片移到一端,使其接入電路中的阻值最大. (3)閉合開關(guān),調(diào)節(jié)滑動變阻器,使電流表有明顯的示數(shù),記錄一組數(shù)據(jù)(I1、U1).用同樣的方法測量幾組I、U值. (4)斷開開關(guān),整理好器材. (5)處理數(shù)據(jù),用公式法和圖象法這兩種方法求出電池的電動勢和內(nèi)阻. 2.實驗數(shù)據(jù)的處理 (1)公式法 依次記錄的多組數(shù)據(jù)(一般6組)如表所示: 實驗序號 1 2 3 4 5 6 I/A I1 I2 I3 I4 I5 I6 U/V U1 U2 U3 U4 U5 U6 分別將1、4組,2、5組,3、6組聯(lián)立方程組解出E1、r1,E2、r2,E3、r3,求出它們的平均值作為測量結(jié)果. E=,r=. (2)圖象法 ①根據(jù)多次測出的U、I值,作U-I圖象; ②將圖線兩側(cè)延長,縱軸截距點意味著斷路情況,它的數(shù)值就是電池電動勢E; ③橫軸截距點(路端電壓U=0)意味著短路情況,它的數(shù)值就是短路電流; ④圖線斜率的絕對值等于電池的內(nèi)阻r,即r==,如圖4所示. 圖4 3.注意事項 (1)為使電池的路端電壓有明顯變化,應(yīng)選取內(nèi)阻較大的舊干電池和內(nèi)阻較大的電壓表. (2)實驗中不能將電流調(diào)得過大,讀數(shù)要快,讀完后立即切斷電源,防止干電池大電流放電時內(nèi)阻r出現(xiàn)明顯變化. (3)若干電池的路端電壓變化不很明顯,作圖象時,縱軸單位可取得小一些,且縱軸起點可不從零開始. 如圖5所示,此時圖線與縱軸交點仍為電池的電動勢E,但圖線與橫軸交點不再是短路電流,內(nèi)阻要在直線上取較遠(yuǎn)的兩點用r=||求出. 圖5 一、伏安法測電動勢和內(nèi)阻 例1 (2018山東濰坊市高一下期末)用如圖6所示的電路測量一節(jié)干電池的電動勢和內(nèi)阻.除開關(guān)和導(dǎo)線外,可供使用的實驗器材還有: 圖6 電流表(量程0~0.6 A,0~3 A) 電壓表(量程0~3 V,0~15 V) 滑動變阻器R1(阻值范圍0~20 Ω,額定電流2 A) 滑動變阻器R2(阻值范圍0~100 Ω,額定電流1 A) (1)為提高測量精度,電流表應(yīng)選用的量程是 A,電壓表應(yīng)選用的量程是 V;為多測量幾組數(shù)據(jù),滑動變阻器應(yīng)選用 (填寫滑動變阻器符號); (2)實驗開始前,滑動變阻器的滑動觸頭P應(yīng)移到 端(選填“a”或“b”); (3)改變滑動變阻器R的阻值,測出6組U和I的值如下表所示.其中5組數(shù)據(jù)的對應(yīng)點已經(jīng)標(biāo)在圖7的坐標(biāo)紙上,請在坐標(biāo)紙上標(biāo)出第二組數(shù)據(jù)的對應(yīng)點,并畫出U-I圖線. 序號 1 2 3 4 5 6 電壓U/V 1.35 1.30 1.25 1.20 1.15 1.10 電流I/A 0.120 0.140 0.240 0.300 0.360 0.420 圖7 (4)由圖象求得電池的電動勢E= V,內(nèi)阻r= Ω(保留到小數(shù)點后兩位) 答案 (1)0~0.6 0~3 R1 (2)a (3)如圖所示 (4)1.45 0.84(0.83~0.85均可) 二、伏阻法和安阻法測電動勢和內(nèi)電阻 1.伏阻法 (1)電路圖:如圖8所示 (2)實驗原理:E=U+r (3)數(shù)據(jù)處理 ①計算法: ②圖象法:由E=U+r得: =+,故-圖象的斜率k=,縱軸截距為,如圖9所示. 圖8 圖9 2.安阻法 (1)電路圖:如圖10所示. (2)實驗原理:E=IR+I(xiàn)r. (3)數(shù)據(jù)處理 ①計算法: ②圖象法:由E=I(R+r)得: =R+,由此作出-R圖象,由圖象的斜率和截距求解,如圖11所示. 圖10 圖11 例2 有一特殊電池,它的電動勢約為 9 V,內(nèi)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(nèi)阻,某同學(xué)利用如圖12甲所示電路進(jìn)行實驗,圖中電流表的內(nèi)阻RA=5 Ω,R為電阻箱,阻值范圍0~999.9 Ω,R0為定值電阻,對電源起保護(hù)作用. 圖12 (1)本實驗中的R0應(yīng)選 (填字母). A.10 Ω B.50 Ω C.150 Ω D.500 Ω (2)該同學(xué)接入符合要求的R0后,閉合開關(guān)S,調(diào)整電阻箱的阻值,讀取電流表的示數(shù),記錄多組數(shù)據(jù),作出了如圖乙所示的圖線,則根據(jù)圖線可求得該電池的電動勢E= V,內(nèi)阻r= Ω. 答案 (1)C (2)10 45 解析 (1)當(dāng)電阻箱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約為180 Ω,除去電源內(nèi)阻約為40 Ω、電流表的內(nèi)阻RA=5 Ω,故C選項最為合適. (2)由U外=E-Ir得I(R0+R+RA)=E-Ir,變形得 =+. 結(jié)合題圖可得E=10 V,r=45 Ω. 1.(2018山東濟(jì)南市高一下期末)測定電源的電動勢和內(nèi)電阻的實驗電路和U-I圖象如圖13所示,請回答下列問題: (1)在閉合開關(guān)之前為防止電表過載,滑動變阻器的滑動觸頭P應(yīng)移至 (選填“a”或“b”)處. (2)由此可知這個干電池的電動勢E= V,內(nèi)電阻r= Ω. 圖13 答案 (1)a (2)1.5 1 2.(多選)某學(xué)生用電流表和電壓表測干電池的電動勢和內(nèi)阻時,所用滑動變阻器的阻值范圍為0~20 Ω,連接電路的實物圖如圖14所示.圖中接線錯誤或不妥的是( ) 圖14 A.滑動變阻器不起變阻作用 B.電流表接線有錯 C.電壓表量程選用不當(dāng) D.電壓表接線不妥 答案 ABD 解析 變阻器要起到變阻作用,接入電路的兩根導(dǎo)線一條接在上面的金屬桿一端,另一條接在下面的接線柱上;電表接入電路,選好量程后,還應(yīng)注意正、負(fù)接線柱,題圖中電流表接法不對;在實驗中電壓表不應(yīng)并聯(lián)在電源兩端,因為開關(guān)斷開后,電壓表仍有讀數(shù),故選A、B、D. 3.如圖15a是“測定電池的電動勢和內(nèi)阻”的實驗電路,如果采用一節(jié)新干電池進(jìn)行實驗,實驗時會發(fā)現(xiàn),當(dāng)滑動變阻器在阻值較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時,電壓表讀數(shù)變化很小,為了較精確地測量一節(jié)新干電池的內(nèi)阻,加接一定值電阻,實驗電路原理圖如圖b.可用以下給定的器材和一些導(dǎo)線來完成實驗,器材:量程3 V的理想電壓表V,量程0.6 A的電流表A(具有一定內(nèi)阻),定值電阻R0(R0=1.5 Ω),滑動變阻器R1(0~10 Ω),滑動變阻器R2(0~200 Ω),開關(guān)S. 圖15 (1)為方便實驗調(diào)節(jié)且能較準(zhǔn)確地進(jìn)行測量,滑動變阻器應(yīng)選用 (填“R1”或“R2”). (2)用筆畫線代替導(dǎo)線在圖c中完成實物連接圖. (3)實驗中改變滑動變阻器的阻值,測出幾組電流表和電壓表的讀數(shù),在給出的U-I坐標(biāo)系中畫出U-I圖線如圖d所示,則新干電池的內(nèi)阻r= Ω.(保留兩位有效數(shù)字) 答案 (1)R1 (2)如圖所示 (3)0.29(0.28~0.30均可) 1.(2018山東濱州市高一下期末)如圖1所示,在測電源電動勢和內(nèi)阻的實驗中,閉合開關(guān)S,改變滑動變阻器的阻值,讀出電壓表示數(shù)U和電流表示數(shù)I,下列說法正確的是( ) 圖1 A.電壓表讀數(shù)U增大時電流表讀數(shù)I也必定增大 B.電壓表與電流表讀數(shù)變化量的比值是滑動變阻器的電阻 C.電壓表與電流表讀數(shù)的比值是電源內(nèi)阻 D.電壓表與電流表讀數(shù)變化量比值的絕對值||是電源內(nèi)阻 答案 D 2.(多選)用如圖2甲所示的電路測定電池的電動勢和內(nèi)阻,根據(jù)測得的數(shù)據(jù)作出了如圖乙所示的U-I圖象,由圖象可知( ) 圖2 A.電池電動勢為1.40 V B.電池內(nèi)阻值為3.50 Ω C.外電路短路時的電流為0.40 A D.電壓表的示數(shù)為1.20 V時,電流表的示數(shù)I′約為0.20 A 答案 AD 解析 圖象與縱軸的交點為電池的電動勢E=1.40 V,故A正確;電池內(nèi)阻r= Ω=1 Ω,故B錯誤;根據(jù)E=U+I(xiàn)′r,代入數(shù)據(jù)得I′== A=0.20 A,故D正確;由于U軸不是從0開始,故短路電流不是0.40 A,故C錯誤. 3.在“測定電池的電動勢和內(nèi)阻”的實驗中,已連接好部分實驗電路. 圖3 (1)按圖3甲所示的實驗電路,把圖乙中剩余的電路連接起來. (2)在圖乙的電路中,為避免燒壞電表,閉合開關(guān)前,滑動變阻器的滑片應(yīng)置于 端(選填“A”或“B”). (3)如圖4是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出的U-I圖象,由圖可知,電源的電動勢E= V,內(nèi)阻r= Ω.(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字) 圖4 答案 (1)見解析圖 (2)A (3)1.5 1.0 解析 (1)電路連接如圖. (2)閉合開關(guān)前,滑動變阻器接入電路中的阻值應(yīng)該最大,故滑片應(yīng)置于A端. (3)由題圖圖象可知,電源電動勢為1.5 V, 內(nèi)阻r= Ω=1.0 Ω. 4.(2018山東濟(jì)寧市高一下期末)某興趣小組利用如圖5甲所示電路測定一電池組的電動勢E和內(nèi)阻r.已知電池組的電動勢為6 V,內(nèi)阻約為10 Ω,保護(hù)電阻R0=10 Ω.可供選用的實驗器材有: 圖5 A.電流表A1(量程0~300 mA,內(nèi)阻約為2 Ω) B.電流表A2(量程0~3 A,內(nèi)阻約為2 Ω) C.電壓表V1(量程0~6 V,內(nèi)阻很大); D.電壓表V2(量程0~15 V,內(nèi)阻很大); E.滑動變阻器R(阻值0~50 Ω); 開關(guān)S一個,導(dǎo)線若干條. 實驗過程如下: (1)在連接電路前,先選擇合適的器材,電流表應(yīng)選用 ,電壓表應(yīng)選用 .(填所選器材前的字母序號) (2)按圖甲連接好電路后,將滑動變阻器的阻值調(diào)到最大,閉合開關(guān),逐次調(diào)小其連入電路的阻值,測出多阻U和I的值,以U為縱軸,I為橫軸,得到如圖乙所示的U-I圖線. (3)根據(jù)圖乙可得,電池組的電動勢E= V,內(nèi)阻r= Ω.(結(jié)果均保留一位小數(shù)) 答案 (1)A C (3)5.9(或5.8) 9.7(或9.3) 5.某同學(xué)在用電流表和電壓表測定電池的電動勢和內(nèi)阻的實驗中,串聯(lián)了一只2.5 Ω的保護(hù)電阻R0,實驗電路如圖6甲所示. 圖6 (1)按圖甲電路原理圖將圖乙實物連接起來; (2)該同學(xué)按上述電路原理圖正確連接好實驗電路,合上開關(guān)S后,當(dāng)滑動變阻器的滑動觸頭P由A端向B端逐漸滑動時,發(fā)現(xiàn)電流表的示數(shù)逐漸增大,而電壓表的示數(shù)幾乎不變,直到當(dāng)滑動觸頭P滑至鄰近B端時,電壓表的示數(shù)急劇變化,出現(xiàn)上述情況的原因是 . (3)該同學(xué)順利完成實驗,測出的數(shù)據(jù)如下表所示.請你根據(jù)這些數(shù)據(jù)幫他在圖7中畫出U-I圖象,并由圖得出電池的電動勢E= V,內(nèi)阻r= Ω. I/A 0.10 0.17 0.23 0.30 U/V 1.20 1.00 0.80 0.60 圖7 答案 (1)如圖所示 (2)滑動變阻器的總電阻太大 (3)如圖所示 1.50 0.50 6.在測電源電動勢和內(nèi)阻的實驗中,用電源、電阻箱、電壓表連成如圖8所示的電路.一位同學(xué)記錄的6組數(shù)據(jù)見下表: 圖8 R/Ω 2.0 3.0 6.0 10 15 20 U/V 1.30 1.36 1.41 1.48 1.49 1.50 根據(jù)這些數(shù)據(jù)選取了適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)軸,請在如圖9所示的方格紙上畫出U-I圖線,根據(jù)圖線讀出電源的電動勢E= V,求得電源的內(nèi)阻r= Ω. 圖9 答案 見解析圖 1.53 0.35 解析 由記錄的六組數(shù)據(jù)可求出各電阻值時的電流,由題表可得下表U-I值: U/V 1.30 1.36 1.41 1.48 1.49 1.50 I/A 0.65 0.45 0.24 0.15 0.10 0.08 用縱軸表示U,橫軸表示電流I.用描點法描出U-I圖線(如圖所示),縱坐標(biāo)上截距為1.53 V,所以E=1.53 V.取圖線上較遠(yuǎn)的兩個點,由r=,得r≈0.35 Ω. 7.某探究性學(xué)習(xí)小組利用如圖10所示的電路測量電池的電動勢和內(nèi)阻.其中電流表A1的內(nèi)阻r1=1.0 kΩ,電阻R1=9.0 kΩ,為了方便讀數(shù)和作圖,給電池串聯(lián)一個R0=3.0 Ω 的電阻. 圖10 (1)按圖示電路進(jìn)行連接后,發(fā)現(xiàn)aa′、bb′和cc′三條導(dǎo)線中,混進(jìn)了一條內(nèi)部斷開的導(dǎo)線.為了確定哪一條導(dǎo)線內(nèi)部是斷開的,將開關(guān)S閉合,用多用電表的電壓擋先測量a、b′間電壓,讀數(shù)不為零,再測量a、a′間電壓,若讀數(shù)不為零,則一定是 導(dǎo)線斷開;若讀數(shù)為零,則一定是 導(dǎo)線斷開. (2)排除故障后,該小組順利完成實驗.通過多次改變滑動變阻器觸頭位置,得到電流表A1和A2的多組I1、I2數(shù)據(jù),作出圖象如圖11.由I1-I2圖象得到電池的電動勢E= V,內(nèi)阻r= Ω. 圖11 答案 (1)aa′ bb′ (2)1.41(1.36~1.44均可) 0.5(0.4~0.6均可) 解析 (2)根據(jù)閉合電路的歐姆定律得E=I1(R1+r1)+(I1+I(xiàn)2)(R0+r),I1?I2,上式可簡化為E=I1(R1+r1)+I(xiàn)2(R0+r),讀出兩點坐標(biāo):(60 mA,0.12 mA)和(260 mA,0.05 mA),代入方程解得:電動勢E=1.41 V,內(nèi)阻r=0.5 Ω. 8.某學(xué)習(xí)小組的同學(xué)設(shè)計了如圖12所示的電路來測量定值電阻R0的阻值(約為幾歐到十幾歐)及電源的電動勢E和內(nèi)阻r. 圖12 實驗器材有:待測電源,待測電阻R0,電流表A(量程為0.6 A,內(nèi)阻不計),電阻箱R(0~99.9 Ω),開關(guān)S1和S2,導(dǎo)線若干. (1)先測電阻R0的阻值.請將學(xué)習(xí)小組同學(xué)的操作補(bǔ)充完整; 先閉合S1和S2,調(diào)節(jié)電阻箱,讀出其示數(shù)R1和對應(yīng)的電流表示數(shù)I,然后 ,讀出此時電阻箱的示數(shù)R2.則電阻R0的表達(dá)式為R0= . (2)同學(xué)們通過上述操作,測得電阻R0=9.5 Ω,繼續(xù)測電源的電動勢E和內(nèi)阻r.該小組同學(xué)的做法是:閉合S1,斷開S2,多次調(diào)節(jié)電阻箱,讀出多組電阻箱示數(shù)R和對應(yīng)的電流表示數(shù)I,如下表數(shù)據(jù): 組數(shù) 1 2 3 4 5 電阻R/Ω 0 3.0 6.0 12.0 18.0 電流I/A 0.50 0.40 0.33 0.25 0.20 ①根據(jù)圖13給定的坐標(biāo)系并結(jié)合以上數(shù)據(jù)描點作圖. 圖13 ②利用圖象求出該電源的電動勢E= V,內(nèi)阻r= Ω.(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字) 答案 (1)斷開S2,調(diào)節(jié)電阻箱的阻值,使電流表的示數(shù)仍為I R1-R2 (2)①見解析圖?、?.0 2.5 解析 (1)器材中只有電流表而沒有電壓表,無法由伏安法求出電阻,故只能利用電阻箱得出待測電阻的阻值;當(dāng)電路中電流相同時,電阻也應(yīng)相同;因此可以控制電流相等,利用電阻箱的電阻,得出待測電阻的阻值;因此缺少的步驟應(yīng)為:斷開S2,調(diào)節(jié)電阻箱的阻值,使電流表的示數(shù)仍為I;而待測電阻等于兩次電阻箱的示數(shù)之差,即:R0=R1-R2. (2)①根據(jù)表中列出的數(shù)據(jù),求出各電阻對應(yīng)的值. 組數(shù) 1 2 3 4 5 電阻R/Ω 0 3.0 6.0 12.0 18.0 電流I/A 0.50 0.40 0.33 0.25 0.20 /A-1 2.0 2.5 3.0 4.0 5.0 ②由閉合電路歐姆定律可知:E=I(R+R0+r) 可得:=+ 結(jié)合圖象可知:E=6.0 V,r=2.5 Ω- 1.請仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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