實(shí)驗(yàn)測(cè)定一節(jié)干電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻
實(shí)驗(yàn)儀器的選擇:
本實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差來源于未計(jì)電壓表的分流.為減小該誤差,需要減小電壓表的分流.減小電壓表分流的方法有二方面,一是選取阻值范圍小的滑動(dòng)變阻器,二是在滿足量程要求的前提下選取內(nèi)阻較大的電壓表.由于選用了阻值范圍小的滑動(dòng)變阻器,所以電路中電流較大,因而,還需要滑動(dòng)變阻器的額定電流較大.綜上所述,本實(shí)驗(yàn)中滑動(dòng)變阻器的選擇原則是:阻值范圍較小而額定電流較大;電壓表的選擇原則是:在滿足量程要求的前提下選取內(nèi)阻較大的;電流表的選擇需根據(jù)電源電動(dòng)勢(shì)和選用的滑動(dòng)變阻器來確定.
四、實(shí)驗(yàn)原理
4.1方法一:伏安法(本方法的原理是閉合電路歐姆定律)

1、利用實(shí)驗(yàn)圖1所示電路,改變滑動(dòng)變阻器的阻值,從電流表、電壓表中讀出幾組
U、I值,由U=E-Ir,可得: , ,解之得:

2、利用如實(shí)驗(yàn)圖1所示的電路,通過改變R的阻值,多測(cè)幾組U、I的值
(至少測(cè)出6組),并且變化范圍晝大些,然后用描點(diǎn)法在U-I圖象中描點(diǎn)作圖,由圖象縱截距找出E,由圖象斜率 找出內(nèi)電阻,如實(shí)驗(yàn)圖2所示.
說明:本次實(shí)驗(yàn)采用外接法
理由:由于干電池的內(nèi)阻很小,與電流表的內(nèi)阻相當(dāng),若采用內(nèi)接法,則 ,所
得的干電池的內(nèi)阻偏大。誤差很大。
4.2方法二:用電阻箱、電壓表測(cè)定

1、實(shí)驗(yàn)電路如實(shí)驗(yàn)圖3所示.
2、實(shí)驗(yàn)原理:改變電阻箱的阻值,記錄R與U,
應(yīng)用 ,
求出E、r.多測(cè)幾組數(shù)據(jù)分別求出幾組
E、r的值,再利用平均法求出E、r,即為測(cè)量值.
4.3數(shù)據(jù)處理的方法
1、本實(shí)驗(yàn)中,為了減小實(shí)驗(yàn)誤差,一般用圖象法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),即根據(jù)各次測(cè)出的U、I值,做U-I圖象,所得圖線延長(zhǎng)線與U軸的交點(diǎn)即為電動(dòng)勢(shì)E,圖線斜率的值即為電源的內(nèi)阻r,即
.如實(shí)驗(yàn)圖2所示.
2、應(yīng)注意當(dāng)電池內(nèi)阻較小時(shí),U的變化較小,圖象中描出的點(diǎn)呈現(xiàn)如實(shí)驗(yàn)圖4(甲)所示狀態(tài),下面大面積空間得不到利用,所描得的點(diǎn)及做出的圖線誤差較大.為此,可使縱軸不從零開始,如實(shí)驗(yàn)圖4(乙)所示,把縱坐標(biāo)比例放大,可使結(jié)果誤差小些.此時(shí),圖線與縱軸的交點(diǎn)仍代表電源的電動(dòng)勢(shì),但圖線與橫軸的交點(diǎn)不再代表短路狀態(tài),計(jì)算內(nèi)阻要在直線上選取兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的點(diǎn),由它們的坐標(biāo)值計(jì)算出斜率的絕對(duì)值,即為內(nèi)阻r.

圖4
四、實(shí)驗(yàn)步驟
1、恰當(dāng)選擇實(shí)驗(yàn)器材,照?qǐng)D連好實(shí)驗(yàn)儀器,電流表用50mA量程,電壓表用1.5V量程,使開關(guān)處于斷開狀態(tài)且滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭滑到使接入電阻值最大的一端.
2、閉合開關(guān)S,接通電路,記下此時(shí)電壓表和電流表的示數(shù).
3、將滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭由一端向另一端移動(dòng)至某位置,記下此時(shí)電壓表和電流表的示數(shù).
4、繼續(xù)移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭至其他幾個(gè)不同位置,記下各位置對(duì)應(yīng)的電壓表和電流表的示數(shù).
5、斷開開關(guān)S,拆除電路.
6、在坐標(biāo)紙上以U為縱軸,以I為橫軸,作出U—I圖象,利用圖象求出E、r.
五、數(shù)據(jù)處理
方法一:伏安法(本方法的原理是閉合電路歐姆定律)I/A U/V

將y= -1.7850x+1.3174 與 進(jìn)行比較,
可以得到:E=1.3174V r=1.7850Ω
方法二:用電阻箱、電壓表測(cè)定 


圖6
將y= -2.3874x+1.2153 與
進(jìn)行比較,
可以得到:E=1.2153V r=2.3874Ω
六、實(shí)驗(yàn)誤差分析
1、偶然誤差:主要來源于電壓表和電流表的讀數(shù)以及作U—I圖象時(shí)描點(diǎn)不很準(zhǔn)確.
2、系統(tǒng)誤差:系統(tǒng)誤差來源于未計(jì)電壓表分流,近似地將電流表的示數(shù)看作干路電流.實(shí)際上電流表的示數(shù)比干路電流略小.如果由實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)作出實(shí)驗(yàn)圖7中實(shí)線(a)所示的圖象,那么考慮到電壓表的分流后,得到的U-I圖象應(yīng)是實(shí)驗(yàn)圖7中的虛線(b),由此可見,按實(shí)驗(yàn)圖10-4所示的實(shí)驗(yàn)電路測(cè)出的電源電動(dòng)勢(shì)
,電源內(nèi)電阻 .

圖7
說明:1、外電路短路時(shí),實(shí)驗(yàn)圖1所示的實(shí)驗(yàn)電路中,電流表的示數(shù)(即干路電流的測(cè)量值) 等于干路電流的真實(shí)值,所以實(shí)驗(yàn)圖10-4中(a)、(b)兩圖線交于短路電流處.
2、當(dāng)路端電壓(即電壓表示數(shù))為 時(shí),由于電流表示數(shù) 小于干路電流 ,所以(a)、(b)兩圖線出現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)圖10-4所示的差異.
七、注意事項(xiàng)
1.為了使電池的路端電壓變化明顯,電池的內(nèi)阻宜大些,可選用已使用過一段時(shí)間的1號(hào)干電池。
2.干電池在大電流放電時(shí),電動(dòng)勢(shì)E會(huì)明顯下降,內(nèi)阻r會(huì)明顯增大,故長(zhǎng)時(shí)間放電不宜超過0.3A,短時(shí)間放電不宜超過0.5A。因此,實(shí)驗(yàn)中不要將I調(diào)得過大,讀電表要快,每次讀完立即斷電。
3.要測(cè)出不少于6組I、U數(shù)據(jù),且變化范圍要大些,用方程組求解時(shí),要將測(cè)出的I、U數(shù)據(jù)中,第1和第4為一組,第2和第5為一組,第3和第6為一組,分別解出E、r值再平均。
4.在畫U-I圖線時(shí),要使較多的點(diǎn)落在這條直線上或使各點(diǎn)均勻分布在直線的兩側(cè)。個(gè)別偏離直線太遠(yuǎn)的點(diǎn)可舍去不予考慮。這樣,就可使偶然誤差得到部分的抵消,從而提高精確度。
5.干電池內(nèi)阻較小時(shí)路端電壓U的變化也較小,即不會(huì)比電動(dòng)勢(shì)小很多,這時(shí),在畫U-I圖線時(shí),縱軸的刻度可以不從零開始,而是根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)從某一恰當(dāng)值開始(橫坐標(biāo)I必須從零開始)。但這時(shí)圖線和橫軸的交點(diǎn)不再是短路電流。不過直線斜率的絕對(duì)值照樣還是電源的內(nèi)阻,這時(shí)要特別注意計(jì)算斜率時(shí)縱軸的刻度不從零開始。


