用电流表.电压表测电池的电动势和内电阻的教学设计
用电流表、电压表测电池的电动势和内电阻的教学设计
一、教学目标
1.知识目标
掌握用电流表和电压表测电池电动势和内电阻的原理。
2.能力目标
(1)学会用图像处理数据。
(2)会正确分析误差。
3.情感态度、价值观目标
(1)实事求是的教育。
(2)细心分析数据的教育。
4.教学重点
掌握用电流表和电压表测电池电动势和内电阻。
5.教学难点
会用图像处理数据。
二、实验原理
根据闭合电路的欧姆定律,其方法有:
第一,如图1所示,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=,r=
第二,为了减小误差,至少测出6组U、I 值,且变化范围要大些,然后在U-I 图中描点作图,由图线纵截距和斜率找出E、r(r ==tan α=),如图2所示。
三、实验器材
被测电池(干电池)、电流表、电压表、滑动变阻器、电键、导线若干。
四、实验步骤
确定电流表、电压表的量程,按图1所示电路把器材连接好;
把变阻器的滑片移到一端使阻值最大;
闭合电键,调节变阻器,使电流表有明显示数,记录一组电流表和电压表的示数,用同样方法测量并记录几组I、U值;
断开电键,整理好器材;
数据处理:用实验原理中的方法计算或在U-I 图中求出E、r。
五、注意事项
电流表要与变阻器靠近,即电压表直接测量电源的路端电压;
选用内阻适当大一些的电压表;
两表应选择合适的量程,使测量时偏转角大些,以减小读数时的相对误差;
作U-I 图时,让尽可能多的点落在直线上,不落在直线上的点均匀分布在直线两侧。
六、实验误差分析
1.偶然误差
主要来源于电压表和电流表的读数以及作U-I 图像时描点不是很准确。
2.系统误差
系统误差来源于未计电压表分流,近似地将电流表的示数看作干路电路,实际上电流表的示数比干路电流略小,如果由实验得到的数据作出图3中实线所示的图像,那么考虑到电压表的分流后,得到的U-I 图像应是图3中的虚线,由此可见,按图3中所示的实验电路测出电源电动势E测<E真,电源内阻r测<r真。
3.两点说明
(1)外电路短路时,电流表的示数(即干路电流的测量值)I 测等于干路电流的真实值,所以图中两图线交于短路电流处。
(2)当路端电压(即电压表示数)为U1时,由于电流表示数I 测小于干路电流I 真,所以图4中a、b两图线出现了图上的差异。
七、数据处理的分析
应注意当电池内阻较小时,U 的变化较小,图像中描出的点呈现如图甲所示状态,下面大面积空间得不到利用,所描得的点及做出的图线误差较大。为此,可使纵轴不从零开始,如图2所示,把纵坐标比例放大,可使结果误差小些,此时,图线与纵轴的交点仍代表电源的电动势,但图线与横轴的交点不再代表短路状态,计算内阻要在直线上选取两个相距较远的点,由它们的坐标值计算出斜率的绝对值,即为内阻r。
八、拓展延伸
测电动势和内阻的其他方法。
一是用一只电流表和电阻箱测量,电路如图5所示,测量原理为E=I1(R1+r),E=I2(R2+r)。
由此可求出E和r,此种方法使测得的电动势无偏差,而内阻偏大。
二是用一只电压表和电阻箱测量,如图6所示,测量原理为E= ,E=
由此可求出E和r,此种方法测得的电动势和内阻均偏小。
三是用一只电压表粗测电动势,直接将电压表接电源两端,所测值近似认为是电源的电动势。U=≈E,需满足R >>r0 。
四是用两只电压表可测得电源的电动势。