第3节测量电源的电动势和内电阻[学习目标]1.知道伏安法测量电源电动势和内电阻的实验原理,进一步理解电源路端电压随电流变化的关系。(科学思维)2.学会根据图象合理外推进行数据处理的方法。(科学方法)3.尝试进行电源电动势和内电阻测量误差的分析,了解测量中减小误差的办法。(科学探究)一、实验原理和方法改变滑动变阻器的阻值,测出至少两组I、U数据,代入方程E=U+Ir,可得到方程组E=U1+I1r,E=U2+I2r解此方程组可求得电动势E=,内阻r=。二、实验器材待测电池一节,电流表(0~0.6A)、电压表(0~3V)各一块,滑动变阻器一只,开关一只,导线若干,铅笔,坐标纸。三、实验步骤1.确定电流表、电压表的量程,按图连接好电路,并将滑动变阻器的滑片移到使接入电路的阻值为最大值的一端。2.闭合开关S,接通电路,将滑动变阻器的滑片由一端向另一端移动,从电流表有明显读数开始,记录一组电流表、电压表读数。3.同样的方法,依次记录多组U、I值。4.断开开关S,拆除电路。四、数据处理1.计算法利用依次记录的多组数据(一般6组),分别记录如表所示。实验序号123456I/AI1I2I3I4I5I6U外/VU1U2U3U4U5U6分别将1、4组,2、5组,3、6组联立方程组解出E1、r1,E2、r2,E3、r3,求出它们的平均值。E=,r=作为测量结果。2.图象法把测出的多组U、I值,在UI图中描点画图象,使UI图象的直线经过大多数坐标点或使各坐标点大致分布在直线的两侧,如图所示,由U=E-Ir可知:(1)纵轴截距等于电源的电动势E,横轴截距等于外电路短路时的电流Im=。(2)直线斜率的绝对值等于电源的内阻r==。(3)若电源内阻r=0(理想电源),则U=E。五、误差分析1.偶然误差主要来源于电压表和电流表的读数以及作UI图象时描点不准确。2.系统误差主要原因是未考虑电压表的分流作用,使得电流表上读出的数值比实际的总电流(即流过电源的电流)要小一些。U越大,电流表的读数与总电流的偏差就越大,将测量结果与真实情况在UI坐标系中表示出来,如图所示,可见E测<E真,r测<r真。六、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,宜选用旧电池和内阻较大的电压表。2.电池在大电流放电时极化现象较严重,电动势E会明显下降,内阻r会明显增大,故长时间放电电流不宜超过0.3A,短时间放电电流不宜超过0.5A。因此实验中不宜将I调得过大,读电表的示数要快,每次读完后应立即断电。3.当干电池的路端电压变化不很明显时,作图象时,纵轴单位可取的小一些,且纵轴起点可不从零开始。如图所示,此时图线与纵轴交点仍为电池的电动势E,但图线与横轴交点不再是短路电流,求内阻时要在直线上取相隔较远的两点,用r=求出。4.为了提高测量的精确度,在实验中I、U的变化范围要大一些,计算E、r时,U1和U2、I1和I2的差值要大一些。5.用伏安法测电动势E和内电阻r时,可以设计成两种电路。如图所示,在实验中我们选择甲图的原因有:依据闭合电路的欧姆定律E=U+Ir,在实验中需要测路端电压U和电源中的电流I,可以看出,甲图中由于电压表的分流作用,使电流表测得的不是真实的电源中的电流;乙图中由于电流表的分压作用,电压表测得的不是真实的路端电压。这两个电路都存在系统误差,由于电流表的电阻和电源的内阻差不多大,则乙图测量的电源内阻阻值和真实值相差太大。故电流表的分压作用不能忽略,所以选用甲图电路较好。6.仪器的选择(1)电流表量程的选择:量程要大于电源允许通过的最大电流,对于电池来讲允许通过的最大电流是0.5A,故需要选0~0.6A。(2)电压表量程的选择:量程要大于电源电动势,对一节干电池来讲,电压表量程在大于1.5V的前提下越小越好。(3)滑动变阻器的选择:滑动变阻器的最大电阻为待测电阻的几倍时较好,在该实验中因电源内阻比较小,故滑动变阻器选择较小一点的即可。【例1】为测定一节干电池的电动势和内阻,现提供如下仪器:A.电压表(量程0~3V,内阻约8kΩ)B.电流表Ⓐ(量程0~0.6A,内阻约0.8Ω)C.滑动变阻器(0~20Ω)D.开关E.若干导线(1)为准确测定干电池的电动势和内阻,应选择图______(选填“甲”或“乙”)进行测量。(2)闭合开关前,滑动变阻器的滑片应调至_______...