“测定电池的电动势和内电阻”实验的深入剖析与拓展(3)
现应用如下例2:
例2.某研究性学习小组欲测定一块电池的电动势E。用电压表V、电阻箱R、定值电阻R0、开关S、若干导线和该电池组成的电路,测定该电池电动势。
①根据电路图,用笔画线替代导线,将实物图连接成完整的电路,如图9。
②闭合开关S,调整电阻箱阻值R,读出电压表V相应的示数U。该学习小组测出大量数据,分析筛选出下表所示的R、U数据,并计算出相应的-、-的值。请用表中数据在坐标纸,如图10上描点,并作出---。
从图线中可得出E= V。
解析:①由电路图知,电压表的另一接线柱处于R0与R之间,具体连线如图11所示。
②描点、连线如图12所示。
从图线中可得-=0.09V-1,即E=11.1V。
点评:本例是2012年福建高考物理试卷中真题的一部分,考查的是在没有电流表情况下的电源电动势的测量;由于路端电压U和外电阻R呈非线性关系,如果画出U-R图象应为曲线,所以没有从U-R图象角度研究;结合E=U+-(r+R0),得出-=-·-+-,式中以-为自变量,-为因变量时,为一次函数,画出函数-=-·-+-的---图线为直线。---图线中,-轴的截距为-,即电动势为-轴的截距的倒数、斜率k=-,本题中r=kE-R0,若R0已知,则本题中可求出内电阻r。
拓展2:若实验中如果没有电压表,可用电流表和变阻箱结合,设计成如图13所示的电路图,进行实验测量。
(1)公式法计算的隐患。
由闭合电路欧姆定律,只要测得两组(I1、R1)、(I2、R2)代入得E=I1(r+R1)、E=I2(r+R2) 两组方程,解得E=-、E=-。同样,如果两组(I1、R1)、(I2、R2)数据中只要四个值中有一个误差很大或错误,计算出的电动势E和内电阻r就误差很大、甚至是错误,同样存在实验误差很大或错误的隐患。
(2)--R或R-- 图象的物理意义。
由E=I(r+R),解得-=-·R+-,--R图象是一条直线,结合函数的物理意义,可知斜率k=-,纵轴-轴的截距为-。求出图象的斜率k,可得E=-;进而根据截距即可求出r。
或由E=I(r+R),解得R=E(-)-r,R--的图象也是一条直线,结合函数的物理意义,可知其斜率k=E,纵轴R轴的截距是-r。也可由图像计算得出电动势E和内电阻r。
(3)系统误差的来源。
由图13可知,系统误差的来源是由于电流表的分压,与图3(b)电路误差来源相同;同样,测得的电动势和内电阻为如图5(b)的等效电源的电动势和内电阻,可与前述类比得出,此时测得的电动势无系统误差,即E测=E真;但内电阻结果会比真实值明显偏大。现举例应用如例3。
例3. 某同学通过查找资料自己动手制作了一个电池。该同学想测量一下这个电池的电动势E和内电阻r,但是从实验室只借到一个开关、一个电阻箱(最大阻值为999.9Ω,可当标准电阻用)、一只电流表(量程Ig=0.6A,内阻rg=0.1Ω)和若干导线。
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