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实验十一测量电源的电动势和内阻
基础梳理
1.实验目的
(1)进一步理解闭合电路欧姆定律,掌握用电压表和电流表测定电源电动势和内阻的方法.
(2)掌握用图像法求电动势和内阻的方法;理解并掌握路端电压U与干路电流I的关系图像(即U-I图像)与纵、横坐标轴交点坐标的意义以及图像斜率的意义.
2.实验原理
本实验的依据是闭合电路的欧姆定律,实验电路如图1所示.
图1
(1)公式法:改变变阻器的阻值,从电流表、电压表中读出几组U、I值,由U=__E-Ir__可得E=U1+I1r,E=U2+I2r,解得E=eq\f(I1U2-I2U1,I1-I2)、r=eq\f(U2-U1,I1-I2),多测几组数据,分别求出几组E和r的值,然后求出它们的平均值.
(2)图像法:改变R的阻值,多测几组U、I值.实验中至少测出6组U、I值,且变化范围要大些,然后在U-I坐标系中描点作图,所得直线与纵轴的交点即为__电源电动势值__,图线__斜率__的绝对值即为内阻r的值.如图2所示.
图2
3.实验器材
电池(被测电源)、电压表、电流表、滑动变阻器、开关、导线、坐标纸.
4.实验步骤
(1)连接电路
电流表用0~0.6A量程,电压表用0~3V量程,按图1连接好电路.
(2)测量与记录
①把滑动变阻器的滑片移动到使接入电路的阻值最大的一端.
②闭合开关,调节滑动变阻器,使电流表有明显示数并记录一组数据(I1、U1).用同样方法测量几组I、U值.
(3)数据处理、整理器材
①断开开关,拆除电路整理好器材.
②取坐标纸,以__电流I__为横轴,__路端电压U__为纵轴,描绘出所记录的各组I、U值的对应点,连成U-I图线.延长U-I图线,它与坐标轴有两个交点,读取E,进一步可以算出r=__eq\f(ΔU,ΔI)__,如图2所示.
5.注意事项
(1)本实验采用伏安法,正确的实验电路为电流表外接法(电流表相对于电源外接,如图1所示),不要接成电流表内接法(如图3所示).
图3
(2)合理选择电压表、电流表量程.测一节干电池的电动势和内阻时,电压表选0~3V量程,电流表选0~0.6A量程,滑动变阻器选0~10Ω.
(3)应使用内阻大些(用过一段时间)的干电池;在实验中不要将I调得过大;每次读完I和U的数据后应立即断开电源,以免干电池在大电流放电时E和r明显变化.
(4)在作U-I图线时,要使较多的点落在这条直线上,不在直线上的点应对称分布在直线的两侧,不要顾及个别偏离直线较远的点,以减小偶然误差.
(5)干电池内阻较小时,U的变化较慢,此时,坐标图中数据点将呈现如图4甲所示的状况,为此,可使纵坐标不从零开始,如图乙所示,把坐标的比例放大,可使结果的误差减小些.此时图线与横轴交点不表示短路电流.另外,计算内阻要在直线上任取两个相距较远的点,用r=eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\f(ΔU,ΔI)))算出电池的内阻r.
图4
6.误差分析
(1)偶然误差
①由读数不准和电表线性不良引起的误差.
②用图像法求E和r时,由于作图不准确造成的误差.
③测量过程中通电时间过长或电流过大,引起E、r变化的误差.
(2)系统误差
由于电压表和电流表内阻影响而导致的误差.
①如图5甲所示,在理论上E=U+(IV+IA)r,其中电压表示数U是准确的电源两端电压,而实验中忽略了通过电压表的电流IV而形成误差,而且电压表示数越大,IV越大.
图5
结论:Ⅰ.当电压表示数为零时,IV=0,IA=I短,短路电流测量值=真实值.
Ⅱ.E测E真.
Ⅲ.因为r测=eq\f(E测,I短),所以r测r真.从电路的角度看,电压表应看成内电路的一部分,故实际测出的是电池和电压表这一整体的等效内阻和电动势(r测和E测),如图5乙所示,因为电压表和电池并联,所以r测小于电池内阻r真,因为外电阻R断开时,a、b两点间电压Uab等于电动势E测,此时,电源与电压表构成回路,所以UabE真,即E测E真.
②若采用如图6甲所示的电路,IA为电源电流真实值,理论上有E=U+UA+IAr,其中UA不可知,而造成误差,而且电流表示数越大,UA越大,当电流为零时,UA=0,电压为准确值,等于E,如图6乙所示.
图6
结论:Ⅰ.E为真实值.
Ⅱ.I短测I短真.
Ⅲ.因为r测=eq\f(E,I短测),所以r测r真,r测为r真和RA的串联值,由于通常情况下电池的内阻较小,所以这时r测的测量误差非常大.
教材原型实验
(2023·泰州期末)用如图甲所示电路测定两节串联而成的干电池组的电动势和内阻.
甲
乙
(1)电流表选择0.6A量程,读出图乙中电流表的读数为__0.54__A.
解析:电流表
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