电源电动势和内阻测定的几种方法

例谈电源电动势和内阻测定的几种方法

李霞

实验是物理学习中的重要手段，虽然高考是以笔试的形式出现的，但却力图通过考查设计性的实验来鉴别考生独立解决新问题的能力。因此，在平时的学习中要充分挖掘出物理教材中实验的探索性因素，不断拓宽探索性实验设置的新路子，努力将已掌握的知识和规律创造性的运用到新的实验情景中去。笔者结合习题简略介绍几种测量电源电动势和内阻的方法。

一. 用一只电压表和一只电流表测量

例1. 测量电源的电动势E及内阻r（E约为4.5V，r约为1.5Ω）。

器材：量程为3V的理想电压表V，量程为0.5A的电流表A（具有一定内阻），固定电阻R4，滑动变阻器R'，开关K，导线若干。

（1）画出实验电路原理图，图中各元件需用题目中所给出的符号或字母标出。 （2）实验中，当电流表读数为I1时，电压表读数为U1；当电流表读数为I2时，电压表读数为U2，则可以求出E＝___________，r＝___________。（用I1，I2，U1，U2及R表示）

解析：由闭合电路欧姆定律EUIr可知，只要能测出两组路端电压和电流即可，由EU1I1r，EU2I2r可得：

Er

I2U1I1U2

I2I1

1

U1U2I2I1

2

我们可以用电压表测电压，电流表测电流，但需注意的是题给电压表的量程只有3V，

.15.V375.V，显然不能直接把电压而路端电压的最小值约为UEIr4.505

表接在电源的两端测路端电压。依题给器材，可以利用固定电阻R分压（即可以把它和

电源本身的内阻r共同作为电源的等效内阻“Rr”），这样此电源的“路端电压”的最

.55.V175.V3V，就可直接用电压表测“路小值约为UEIRr4.505端电压”了，设计实验电路原理图如图1所示。

图1

调节滑动变阻器R'测两组电压和电流分别代入两式，得：

E

I1U2I2U1UU1

，r2R

I1I2I1I2

说明：此种方法所测E偏小，r偏小。

二. 用一只电流表和一只电阻箱测量

例2. 在“测定电源电动势和内阻”的实验中，除待测电源（E，r），足够的连接导

线外，实验室仅提供：一只量程合适的电流表A，一只电阻箱R，一个开关S。

（1）画出实验原理图。

（2）写出用测量值表示的电源电动势E和内阻r的表达式，并注明式中量的含义。 解析：由欧姆定律EIRr可知，测出两组电阻箱的不同值及其对应的电流，由EI1R1r，EI2R2r可得：

R1R2I1I2E，r

I2I1

I1R1I2R2

I2I1

式中I1、I2是电阻箱分别取R1和R2时电流表读数。 设计实验原理图如图2所示。

图2

说明：此种方法使测得的电动势无系统误差，但内阻偏大。

三. 用一只电压表和一只电阻箱测量 根据EU

Ur

，测出两组电阻箱不同值及其对应的电压，即有 R

EU1

得：E

U1rUr

，EU22 R1R2U1R2R1U2

，r

U1U2R2R1U1U2R1R2

U2R1U1R2

设计实验原理图如图3所示。

图3

说明：此种方法测得的电动势和内阻均偏小。

四. 用两只电压表测量

例3. 在“测定电源电动势和内阻”的实验中，除待测电源（E，r），足够的连接导线外，实验室仅提供：两只量程合适的电压表V1、V2及V1的内阻R1，一只单刀双掷开关S。

（1）画出实验原理图；

（2）写出用测量值表示的电源电动势E和内阻r的表达式，并注明式中量的含义。 解析：依据题意可知，电压表V1的内阻已知，则可由电流——电压变换法用V1测出它所在支路的电流，类似方法一，设计实验电路原理图如图4所示。

图4

设当开关S与1接触时，电压表V1的读数为U0；当开关S与2接触时，电压表V1、V2

的读数分别为U1、U2，由欧姆定律EUIr，即有

U0E

可得E

U0rUr

，U1U2E1 R1R1

UU2U0R1U0U2

，r1

U0U1U0U1

说明：此种方法测得的电动势和内阻均无系统误差。

五. 用两只电流表测量

例4. 在测定一节干电池的电动势和内电阻的实验中，备有下列器材： ①干电池（电动势E约为1.5V，内电阻r约为1.0Ω）； ②电流表G（满偏电流3.0mA，内阻Rg10）； ③电流表A（量程0～0.6A，内阻约为0.5Ω）； ④滑动变阻器R（0～20Ω，10A）； ⑤滑动变阻器R'0~100，1A； ⑥定值电阻R3990； ⑦开关和导线若干。

（1）为了能准确地进行测量，也为了操作方便，实验中应选用的滑动变阻器是___________。（填写数字代号）

（2）请画出实验原理图。

解析：由闭合电路欧姆定律EUIr可知，只要能测出两组路端电压和电流即可，但题目中只给出两个电流表且其中一个电流表G的内阻已知，可以把内阻已知的电流表和定值电阻R3串联改装成一个电压表。为了减少误差，滑动变阻器需选④，设计实验原理图如图5所示。



图5

分别测两组电流表G和A的读数，即有

EIG1R1RgIA1IG1rEIG2R1R2IA2IG2r

R可得ERr

1



RgIG1IA2IA1IG2IA2IG2IA1IG1



1

RgIG1IG2



IA2IG2IA1IG1

说明：此种方法测得的电动势和内阻均无系统误差。

六. 用补偿法测量电源的电动势和内阻

电源在没有电流通过时路端电压等于电源电动势的结论使我们有可能通过测量路端电压来测量电动势。但电压表的接入不可避免地会有电流流过电源，而电源或多或少总有内阻，因此这样测得的路端电压将略小于电动势。要精确地测定电动势，可以设法在没有电流流过电源的条件下测量它的路端电压。采用补偿法可以做到这一点，其原理电路图如图6所示。

图6

其中Ex是被测电源，ES是标准电池（其电动势非常稳定并且已知），E是工作电源。AC是一段均匀的电阻丝（上有一滑片B），G是灵敏电流计。 操作过程：先将开关K掷于1，调节滑片B使灵敏电流计电流为零，这时K与B点等电势，故ExUAB。

设流过AB的电流为I，则ExUABIRAB

1（RAB是AB段的电阻）

2（RAB'是

再将开关K掷于2，因一般ESEx，灵敏电流计的示数不会为零，调节滑片至另一点B'以重新使灵敏电流计电流为零，由以上讨论，得ESIRAB'AB'段的电阻）

因两种情况下G都无电流，故式①与②中I相同，合并两式得：

ExRLABAB ESRAB'LAB'

其中LAB及LAB'分别为AB及AB'段的长度，测得LAB及LAB'，利用ES的已知值便可由上式求得Ex。

根据闭合电路欧姆定律UEIr可知，为了测定电源内阻r，必须要电源放出一定的电流I，通常情况下r为常数，为了控制回路中I的大小，要在电路中串联一个电阻箱R，电流的测量采用电流——电压变换法，即测量阻值足够准确的电阻（RS）两端电压，根据电压除以电阻算出电流值，因此测量电池内阻的实验电路，如图7所示。

图7

UEx

U01

r RS

由于待测电池电动势Ex为常量

UIRRS

因此

U01

RRS RS

U01U

RRSEx01r RSRS

得U01

ExRS

RRSr

式中U01与R为变量，如果取R为自变量，并与待测量r分开，变换上式，可以得到

Rr11SR U01ExRSExRS

Rr11

bRSr 与R成线性关系，其中斜率为b，截距为aS

ExRSU01ExRS

则r

a

RS b