复习电学实验——测定电源电动势和内电阻的几种实验电路

张学均

(浙江省嵊州市嵊州中学,浙江嵊州 312400)

物理实验在高考中是以笔试的形式出现,它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.分析近几年的高考实验试题,电学实验成为当今高考实验题首选素材,而设计性的电学实验更是考查的热点.学生在面对设计性的电学实验试题时,往往是束手无策,有时甚至无从下笔,究其原因,就是找不到电学设计性实验的思维切入点.笔者以“测量电源的电动势和内阻”实验为例,谈谈用电路分析解决设计性电学实验.

1 3个最基本测量电源电动势和内阻的电路

电路1.电流变阻器型

(1)实验器材:电压表、电流表、变阻器、电源、电键、导线.

图1

(2)实验电路如图1所示.

(3)实验原理:E=U+Ir.

改变不同的R值,即可测出两组不同的U和I的数据,有

由(1)、(2)式得

电路2.电流电阻箱型

(1)实验器材:一电流表、一电阻箱、电源、电键、导线.

(2)实验电路如图2所示.

(3)实验原理:E=IR+Ir.

改变电阻箱R的阻值,多测几组干路电流及对应的外电阻阻值,有

图2

则

电路3.电压电阻箱型

(1)实验器材:电压表、电阻箱、电源、电键、导线.

(2)实验电路如图3所示.

图3

改变电阻箱 R的阻值,多测几组路端电压及对应的外电阻阻值,有

结合两式解得

2 解析测定电源的电动势和内电阻

例1.测量电源B的电动势E及内阻r(E约为4.5 V,r约为1.5 Ω).可选用的器材如下:量程为3 V的理想电压表V;量程为0.5 A的电流表A(有一定内阻);固定电阻 R=4 Ω;滑动变阻器 R′;电键 S,导线若干.

(1)根据实物接线图(本文未画出)画出实验电路原理图,图中各元件需用题目给出的符号或字母标出.

(2)实验中,当电流表的读数为 I1时,电压表的读数为U1;当电流表的读数为 I2时,电压表的读数为 U2,则可求出E=________,r=________.(用 I1、I2、U1、U2及 R 表示)

解析:(1)对照以上 3个电路,不难发现是属于电路1的电流变阻器型,如图 4所示,但试题中多出一个定值电阻,进一步分析,若电压表测量路端电压,最大测3 V,这样内电压最小约为1.5 V,那么总电流将达1 A,显然电流表的量程0.5 A明显不符合要求,于是就想到用定值电阻和电源内阻串联分压,减小总电流.

图4

例2.两只电压表V1和 V2,其量程已知,V1的内阻RV1已知,V2内阻不知为多少,电源内阻不可忽略,且未知,电源电动势不超过电压表的量程.画出实验电路原理图并写出测量步骤和测量表达式.

解析:对照以上3个电路,可能会误认为是第3个电路,但仔细分析,若是第3个电路,外电阻是电阻箱,变化时,能把阻值直接读出来,而这两个电压表内阻只有一个已知,所以两只表起不到电阻箱的作用,因此只可能是第1个电路,用两只电压表组合使用产生变化的外电阻,同时用内阻已知的电压表等效当电流表测电流.所以该题的模型有些隐蔽,要仔细推敲.具体解答为如图5所示先合上开关S,记下V1的示数 U1;再断开开关S,记下V1和V2的示数U1′和 U2′,有

联立2式有

图5

图6

例3.某学生设计了一个如图6所示的实验电路,用以测定电源电动势和内阻,使用的实验器材为:待测干电池组(电动势约3 V)、电流表(量程0.6 A,内阻小于 1 Ω)、电阻箱(0～ 99.99 Ω)、滑动变阻器(0～ 10 Ω)、单刀双掷开关 、单刀单掷开关各一个及导线若干.考虑到干电池的内阻较小,电流表的内阻不能忽略.该学生按图6连线,通过控制开关状态,测得电流表内阻为0.20 Ω.

(1)简要写出利用图6所示电路测量电源电动势和内阻的实验步骤:

①_________________________________________;

②;

图7

解析:对照以上3个电路,结合试题分析属于第 2个电路,选择开关S断开,开关S′接D,构成闭合电路测量电源的电动势和内电阻.

(1)①断开S,将 R旋至最大值,S′掷向D.

(2)调小R直到电流表指针有足够偏转,改变R值测几组I随R变化的数据;

(2)E=2.86 V(2.76～2.96 V),

例4.图8中 E为直流电源,R为已知电阻,V为理想电压表,其量程略大于电源电动势,S1和S2为开关.现要利用图中电路测量电源的电动势 E和内阻r,试写出主要实验步骤及结果表达式.

解析:对照以上3个电路,有电压表和定值电阻,可以联想可能属于第3个电路,但要找到能起电阻箱作用的变化的外电阻,由于V为理想电压表,当S1闭合S2断开时,外电阻值无穷大,电压表的读数即为电动势 E,再S1、S2均闭合,R当外电阻,问题就解决了.

实验步骤:(1)S1闭合,S2断开,记下电压表示数U1,(2)S1、S2均闭合,记下电压表示数 U2.

图8

3 总结

教材中测定电源电动势和内阻的实验是运用电流表和电压表等实验器材完成的.《物理考试大纲》将原“用电流表和电压表测定电池的电动势和内电阻”改为“测定电源的电动势和内阻”.虽然只删减几个字,但这预示高考中该实验的方法不再拘泥于课本,要创新.这对学生的能力要求将更高.但不管怎么创新,只要深刻理解这3个最基本的电路,仔细去分析、推敲,细心体会,解题思路自然就能形成.