测干电池的电动势和内阻的误差分析

(整期优先)网络出版时间:2009-01-11
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测干电池的电动势和内阻的误差分析

李峰

中学物理中测量干电池的电动势和内电阻,实验误差分析方法较多,笔者借助U-I图线,结合电路来分析,学生易理解且不需要经过复杂的运算。

实验有甲,乙两种电路图:

在不考虑电流表,电压表的内阻对电路影响情况下

E=U1+I1rE=U2+I2r

解得:E=I1U2-I2U1I1-I2,r=U2-U1I1-I2

若用U-I图像

测得电源电动势E=U0

测得内阻为r=U0I0

I0为短路电流。

若考虑电流表,电压表对电路的影响

甲电路:因电压表的分流使得电流表所测得的电流小于电源的总电流而引起实验误差。U-I图像与电压轴的交点表示当电流表示数为零时,电压表的示数为U0

当电流表的示数为零时,图甲变为

因为电压表的内阻不是无穷大,有一个微小的电流流过电压表,那么电压表的示数U0小于电动势的真实值,即:E测=U0<E真。

图像与电流轴的交点表示:当电压表示数为零时,电流为I0

电压表示数为零有两层含义。其一:电压表测的是滑动变阻器与电流表的总电压,电压表示数为零,相当滑动变阻器与电流表的总电阻为零,滑动变阻器与电流表相当于导线。其二:电压表示数为零,表示没有电流经过电压表,可以把电压表取掉,甲图变为:

此时回路的电流就是短路电流,即短路电流是准确的,I短=I0

由内阻r测=E测I0,由于电动势测量小了,内阻也测量小了,即R测<r真

乙电路:因电流表的分压作用使电压表所测的电压小于电源的路端电压而引起实验误差。

U-I图像与电压轴的交点表示当电流表示数为零时,电压表的示数为U0

对于乙图,当电流表示数为零时,电流表上的分压为零,电源内阻上的分压也为零,电压表的示数就等于电源的电动势,即:E测=E真

可能有同学会问:乙图电流表的示数都为零了,怎么电压表还会有示数?

实际上U-I图像与坐标轴的交点并不是电压表,电流表直接测得的数据,而是极限思想在这里的应用。

U-I图像与电流轴的交点表示当电压表的示数为零时,电流表的示数,对乙图,电路变为:

此时电流表的示数I0并不是短路电流,要比短路电流小。

U0I0=r+RA而内阻的测量值r测=U0I0

可见利用图乙测得的电源内阻大于电源内阻的真实值,即r测>r真

例:如图所示的电路是实验室测量电源的电动势与内电阻的电路图

(1)根据下图丙电路进行实验,根据图丁测得的U-I图象,则:电动势E=,内阻r=,

图丙图丙电动势的测量值与真实值相比(填“偏大”,“偏小”,“相等”),内电阻的测量值与真实值相比(填“偏大”“偏小”,“相等”)。

(2)如果在电路丙的适当位置添加一只单刀双掷开关,用来改变电压表接入电路的方式,就能够最大程度的消除误差,请在虚线框内画出改进后的电路图。(3)利用改进电路实验操作完成后,利用图象法处理数据,在同一坐标系中画出了两条直线甲和乙,纵,横轴截距分别是U1,U2和I1,I2如下图所示,则电源电动势E=内电阻r=

答案:(1)E=U0r=U0I0,偏小,偏小

(2)

(3)E=U1r=U1I2