伏安法测电源电动势和内阻的测量值与真实值
实验:测定电池的电动势和内阻

E U1 I1r E U2 I2r
解得 E I1U2 I2U1
I1 I2
r U2 U1 I1 I2
为了减小误差,可以多测几组I和U的数据, 分别列出若干组联立方程,求出多组E和r,最后 以E的平均值和r的平均值作为实验结果
(2)图像法
由 E U Ir 可得
E测 E真
r测
U2 I1
U1 I2
r真
I1
U2 r测 r真
由于RV一般很大,而(U2-U1)比较小, 所以 U2 U1 很小,对实验影响较小
RV
【结论】利用电流表外接法,测得的电动势 和内阻都偏小,但误差较小,一般采用这种接法 测电池的电动势和内阻
RA
E测
I1U 2 I1
I2U1 I2
E真
I1U 2 I1
I2U1 I2
r测
U2 U1 I1 I2
r真
U2 I1
U1 I2
RA
E测 E真
r测 r真
由于一般电源的内阻与电流表的内阻差不多, 所以内阻测量的结果误差太大
【结论】利用电流表内接法,测得的电动势与真实 的电动势相等,但内阻测量值偏大,且误差很大,一般 不采用这种接法进行测量
E真
E真
【等效电源法】 电源的电动势等于外电路断路时的路端电压 电源的内阻等于将电动势短路后的电阻值
A 理想 B
A
B
V
E、r R
E’、r’
r' r R
E' E
A 理想 B
A
B
V
R
伏安法测电源电动势和内阻的误差分析三法详解

伏安法测电源电动势和内阻的误差分析三法详解王守平(中央民族大学附属中学海南陵水分校ꎬ海南陵水572400)摘㊀要:误差分析是实验的重要环节ꎬ目前高中学生对实验误差分析的认识相对比较模糊ꎬ甚至有错误.本文分别从定性分析㊁定量分析两个维度对伏安法测量电源电动势和内阻的误差进行分析ꎬ使学生明晰如何选择测量电路.关键词:误差分析ꎻ伏安法ꎻ图像法中图分类号:G632㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1008-0333(2023)16-0122-03收稿日期:2023-03-05作者简介:王守平(1974.9-)ꎬ男ꎬ山东省安丘人ꎬ硕士ꎬ高级教师ꎬ从事高中物理教学研究.0引言伏安法测电源电动势和内阻的误差分析是教师教学和学生学习的难点.两种不同接法的电路造成的系统误差不同ꎬ结论比较容易记忆ꎬ但推导过程相对比较复杂.学生往往只记住结果ꎬ记不住甚至看不懂推导过程ꎬ但如果只记住结果的话ꎬ时间长了容易记混ꎬ而且如果不懂得其中的原理的话ꎬ对于两种实验电路的选择也会出现困难ꎬ因此笔者总结了三种不同的推导方法ꎬ给出超详细的推导过程ꎬ争取让基础一般的同学也能看得懂ꎬ也可供教师做教学参考.1推导方法首先ꎬ我们要清楚本实验可供选择的两种电路ꎬ如图1所示ꎬ我们称之为电流表外接电路(相对电源)ꎬ后文中简称为外接法.如图2所示ꎬ我们称之为电流表内接电路(相对电源)ꎬ后文中简称为内接法.图1图21.1方法一:替代法1.1.1外接法由E测=U+Ir测得U=-r测I+E测①由E真=U+(I+URV)r真221得E真=U+Ir真+URVr真E真=U(1+r真RV)+Ir真即E真=U(RV+r真RV)+Ir真则U=-RVr真RV+r真I+RVRV+r真E真②在①②两式中ꎬU㊁I的含义是相同的ꎬ故两式中对应的斜率和截距相同ꎬ可相互替代ꎬ即r测=RVr真RV+r真ꎬ可见ꎬ内阻的测量值其实是其真实值和电压表内阻的并联值ꎬ故有r测<r真ꎬ且当r真≪RV时误差很小.同时E测=RVE真RV+r真ꎬ故有E测<E真ꎬ且当r真≪RV时误差很小ꎬ由于一般的干电池的内阻很小ꎬ因此ꎬ测一般干电池的电动势和内阻时采用外接法.1.1.2内接法由E测=U+Ir测得U=-r测I+E测①由E真=U+I(r真+RA)得U=-(r真+RA)I+E真②同理ꎬ在①②两式中ꎬU㊁I的含义是相同的ꎬ故两式中对应的斜率和截距相同ꎬ可相互替代ꎬ即r测=r真+RAꎬ可见ꎬ内阻的测量值其实是其真实值和电流表内阻的串联值ꎬ故有r测>r真ꎬ且当r真≫RA时误差很小.同时E测=E真ꎬ即电动势的测量值没有系统误差ꎬ由于一般的干电池的内阻很小ꎬ不能用这种内接法ꎬ但当电池的内阻很大时ꎬ如水果电池ꎬ可以用这种方法.1.2方法二:解析法1.2.1外接法E测=U1+I1r测①E测=U2+I2r测②得r测=U1-U2I2-I1③E测=U1I2-U2I1I2-I1④E真=U1+(I1+U1RV)r真⑤E真=U2+(I2+U2RV)r真⑥解得内阻测量值和真实值的关系:r测=RVr真RV+r真ꎬE测=RVRV+r真E真1.2.2内接法E真=U1+I1(r真+RA)⑦E真=U2+I2(r真+RA)⑧r测=r真+RAꎬE测=E真1.3方法三:图像法1.3.1外接法实验得到的电压表的读数U和电流表的读数I之间的关系图像ꎬ即U-I图像ꎬ如图3中实线所示ꎬ由于电压表的读数U就是该电路的路端电压ꎬ无误差ꎬ但由于电压表的分流作用ꎬ使得电流表的读数I不是流过电源的干路电流I真ꎬ它们的关系是I真=I+IVꎬ因此图3中的图线偏离真实ꎬ导致电动势和内阻的测量存在误差ꎬ可对图线进行修正ꎬ在图线上任取一点Bꎬ它的坐标为(IBꎬUB)ꎬ其中UB是准确值ꎬ这时流过电压表的电流IV=UBRVꎬ可求出Ivꎬ过IB+Iv作竖直线ꎬ与UBB的延长线交于Bᶄ点ꎬBᶄ点即B点的真实位置.由于U=0时ꎬIv=0ꎬ此时I真=Iꎬ可知:图线的横截距Im也是真实图线上的横截距ꎬ连接Im和Bᶄ并延长与纵轴交于一点ꎬ此纵截距就是电动势的真实值E真ꎬ两图线比较可得ꎬE测<E真ꎬr测<r真.图3321误差有多大呢?下面推导误差的具体大小:过E测点的水平线与E真㊁Im的连线交于C点ꎬ线段E真C的大小表示当I测=0时通过电压表中的电流IV0ꎬ因此IV0=U测RVꎬ由于三角形E真E测C与三角形E真OIm为相似三角形ꎬ故有:E真-E测E真=IV0Imꎬ又由于Im=E测r测ꎬ故有:E真-E测E真=U测RVE测r测=r测RV可得:E真RV-E测RV=E真r测移项得:E真(RV-r测)=E测RVꎬ求得:E测=RV-r测RVE真①又由于r测=E测Imꎬ将①式代入得:r测=RV-r测RVE真Im再将r真=E真Im代入得:r测=RV-r测RVr真移项得:r测RV=RVr真-r测r真求得:r测=RVr真RV+r真再将r测=RVr真RV+r真代入①式得:E测=RV-RVr真RV+r真RVE真=(1-r真RV+r真)E真=RVRV+r真E真即E测=RVRV+r真E真1.3.2内接法由于电流表的读数就是干路电流ꎬ无误差ꎬ但由于电流表的分压作用ꎬ使电压表的示数不是电路的路端电压U真ꎬ它们的关系是U真=U+UAꎬ故图4中的实线所示图线偏离真实ꎬ导致电动势和内阻的测量存在误差ꎬ可对图线进行修正ꎬ在图线上任取一点Dꎬ它的坐标为(IDꎬUD)ꎬ其中ID是准确值ꎬ这时电流表两端的电压UA=IDRAꎬ可求出UAꎬ过纵轴上UD+UA的点ꎬ作一条与横轴平行的直线ꎬ与IDD所在的竖直线交于Dᶄ点ꎬDᶄ点即为D点的真实位置.当I=0时ꎬUA=0ꎬ此时电压表的测量值和真实值相等ꎬ因此图线上的纵截距也是真实图线上的纵截距ꎬ统一用E来表示ꎬ连接ED两点并处处延长交横轴于一点Im真ꎬ图线EIm真就是真实图线ꎬ可知电动势E测=E真ꎬ无误差.内阻r测>r真.图4综上所述ꎬ通常情况下ꎬ利用电流表外接实验电路ꎬ电动势和内阻的测量值均小于真实值ꎬ但误差小ꎻ而电流表内接实验电路ꎬ电动势的测量值不存在系统误差ꎬ而且内阻的测量值大于真实值会产生很大的误差.故伏安法测电源电动势和内阻的实验电路常采用电流表外接电路.参考文献:[1]保罗 齐泽维茨ꎬ等.物理原理与问题[M].钱振华ꎬ沈珊雄ꎬ徐在新ꎬ译.杭州:浙江教育出版社ꎬ2008.[2]陈忠.伏安法测定电源电动势和内阻的误差分析[J].中学理科园地ꎬ2012(06):64-65.[3]张小创.测量电源电动势和内阻实验误差分析[J].数理化学习(教育理论版)ꎬ2013(03):4.[4]朱伟华.伏安法 测定电源的电动势和内阻 的系统误差分析与消除[J].中国教育技术装备ꎬ2009(16):185-186.[责任编辑:李㊀璟]421。
测定电源的电动势和内阻

测定电源的电动势和内阻一、.实验目的1.掌握运用伏安法测电源电动势和内阻的实验原理,会分析误差的来源。
2.学会运用U ~I 图象处理实验数据求出E 和r 。
二、 实验原理根据闭合电路的欧姆定律,其方法有:1.如图甲所示,改变变阻器的阻值,从电流表、电压表中读出几组U 和I 的值,由U=E -Ir 可得:E =211221I I U I U I --; r =2112I I U U --2.为减小误差,至少测出六组U 和I 值,且变化范围要大些,然后在U ~I 图中描点作图,如图乙所示,由图线纵截距和斜率找出E ,)tan (mI EI U r r ===α∆∆ 三、实验步骤1.恰当选择实验器材,照图连好实验仪器,使开关处于断开状态且滑动变阻器的滑动触头滑到使接入电阻值最大的一端。
2.闭合开关S ,接通电路,记下此时电压表和电流表的示数。
3.将滑动变阻器的滑动触头由一端向另一端移动至某位置,记下此时电压表和电流表的示数。
4.继续移动滑动变阻器的滑动触头至其他几个不同位置,记下各位置对应的电压表和电流表的示数。
5.断开开关S ,拆除电路。
6.在坐标纸上以U 为纵轴,以I 为横轴,作出U ~I 图象,利用图象求出E 、r 。
四、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 图象时描点不很准确。
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流。
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中实线a 所示的图象,那么考虑到电压表的分流后,得到的U ~I 图象应是图中的虚线b ,由此可见,按图所示的实验电路测出的电源电动势E 测<E 真,电源内电阻r 测<r 真。
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a 、b 两图线交于短路电流处。
(2)当路端电压(即电压表示数)为U 1时,由于电流表示数I1测小于干路电流I 1真,所以a 、b 两图线出现了图中所示的差异。
用伏安法测电源的电动势和内阻误差分析

用伏安法测电源的电动势和内阻时,能够用内接法和外接法,如下图,试分析两种电路的误差对结果的影响。
电流I测小于电源的输出电流I真,即:I真=I测+I V,而,U越大,I V越大;U越小,I V越小;U趋近于零时,I V也趋于零。
在下列图中,测量线为AB,真实线应为A'B,能够看出E测<E真。
由得:r测<r真另一种思路:将虚线框内的电压表和电池看做一整体,内接法实际上测的是这个整体的电动势和总内阻。
当外电路(虚线框外)断开时,路端电压等于电动势数值,因为电压表的影响,此时的“电动势”实际上是电压表两端电压,因为R V>>r,所以二者近似相等,但略小于电动势;此时的总内阻是电压表内阻与电池内阻并联的总和,则r测<r真,内接法要求R V>>r,一般的电压表内阻较大,所以实验中一般采用内接法(2)对于乙图中的外接法,因为电流表的分压作用,有U真=U测+U A,即U真=U测+IR A,这样在U-I图线上对应每个I,应加上一修正值△U=IR A,因为R A很小,所以在I很小时,△U趋于零,I增大,△U增大,如下图,能够看出,E测=E真,由,得r测>r真另一种思路:将虚线框内的电流表和电池看做一整体,外接法测的是这个整体的电动势和内阻。
当外电路断路时,路端电压等于电动势数值。
测的内阻实际上是电流表与电池内阻串联的总内阻。
所以E测=E真,r测>r真,外接法要求R A<<r,但是一般电池内阻很小,很难满足这个条件,所以实验中一般不采用这种方法考点名称:实验:测定电池的电动势和内阻•实验目的:测定电池的电动势和内电阻。
实验原理:如图1所示,改变R的阻值,从电压表和电流表中读出几组I、U值,利用闭合电路的欧姆定律求出几组ε、r值,最后分别算出它们的平均值。
此外,还能够用作图法来处理数据。
即在坐标纸上以I为横坐标,U为纵坐标,用测出的几组I、U值画出U-I图象(如图2)所得直线跟纵轴的交点即为电动势值,图线斜率的绝对值即为内电阻r的值。
测定电源电动势和内阻

2.图像法分析误差
(2)系统误差: ①方法a 若采用甲图电路,电压表的分流作用造成误差,电 压值越大,电压表的分流越多,对应的I真与I测的差越大,IV= . 其中U U-I图像如图乙所示.
RV
结论:E测<E真,r测<r真.
方法b 等效电源法
如图甲所示,E
测= RV E RV+r
真<E
真,r
测= RVr <r RV+r
只要是电流表分压引起的误差就一有:
E测 E真
.
r测 r真
1
R1
S2
2
R2
A E r S1
“I—R”
V
V
E“Ur—RS”1
E
S1
“粗测 E 法”
总结
A
v
A
v
U1=E-I1r U2=E-I2r
E=I1(R1+r) E=I2 (R2+r)
E= U1 + U1r / R1 E= U2 + U2r / R2
无论是哪种方法,
只要是电压表分流引起的误差就一定有:
E测 E真 r测 r真
真.
方法二:安阻法测电动势和内电阻
1.实验原理 闭合电路的欧姆定律E=IR+Ir,电路图如图所示. 2.实验器材 电池、电流表、电阻箱、开关、导线、坐标纸和刻度尺. 3.数据处理 (1)计算法:由EE= =II12RR12+ +II12rr 解方程组求得E,r.
1.计算法处理数据
例:如图所示,用一个电流表和两个定值电阻测定电源电动
12.3实验: 测定电源电动势和内阻
方法一:伏安法测电源的电动势和内电阻
1.实验原理:
闭合电路欧姆定律:E=U+Ir
测电源电动势和内阻的几种方法

测电源电动势和内阻的几种方法、伏安法一一用电压表和电流表测量电源的电动势和内阻原理:用电流表和电压表分别测出电源的电流和电压,然后由闭合电路的欧姆定律列方程组求现电源的电动势和内阻;或者通过描点作出电源的U―― I图象,再根据图象来求电源的电动势和内电阻。
误差分析:用图象法,如图所示,第一种方法:E测VE真,r测<r真第二种方法:E测=E真,r测>「真例1 (2005年全国卷I)测量电源B的电动势E及内阻r (E约为4. 5V, r约为1. 5Q)。
器材:量程3V 的理想电压表V,量程0. 5A的电流表A (具有一定内阻),固定电阻R=4 Q,滑线变阻器R ',电键K,导线若干。
①画出实验电路原理图。
图中各无件需用题目中给出的符号或字母标出。
②实验中,当电流表读数为11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11 , I2 , U1, U2及R表示)例2 (2007宁夏卷)禾U用伏安法测量干电池的电动势和内阻,现有的器材为:干电池:电动势约为1.5 V,符号电压表:量程1 V,内阻998.3 Q ,符号电流表:量程1 A,符号滑动变阻器:最大阻值99999.9 Q,符号单刀单掷开关1个,符号导线若干①设计测量电源电动势和内阻的电路并将它画在指定的方框内,要求在图中标出电压表、电流表的接线柱的正负。
②为了满足本实验要求并保证实验的精确度,电压表量程应扩大为原量程的()倍,电阻箱的阻值应为()。
、伏阻法一一用电压表和电阻箱来测量电源的电动势和内阻原理:如图所示,通过改变电阻箱的阻值来改变电源的端电压,将电压和电阻值代入闭合电路欧姆定律表达式,列方程组来求得电源的电动势和内电阻。
当然也可以通过欧姆定律求出电路中的电流,然后通过描点作出电源的U――I图象来求出电源的电动势和内阻。
实验电池电动势和内阻的测量

实验:电池电动势和内阻的测量知识点:实验:电池电动势和内阻的测量一、测定电池电动势和内阻的实验方案设计1.伏安法:由E=U+Ir知,只要测出U、I的两组数据,就可以列出两个关于E、r的方程,从而解出E、r,用到的器材有电池、开关、滑动变阻器、电压表、电流表,电路图如下图所示.2.伏阻法:由E=U+r知,如果能得到U、R的两组数据,列出关于E、r的两个方程,就能解出E、r,用到的器材是电池、开关、电阻箱、电压表,电路图如下图所示.3.安阻法:由E=IR+Ir可知,只要能得到I、R的两组数据,列出关于E、r的两个方程,就能解出E、r,用到的器材有电池、开关、电阻箱、电流表,电路图如下图所示.二、实验操作与数据分析1.实验步骤(以伏安法为例)(1)电流表用0~0.6 A量程,电压表用0~3 V量程,按实验原理图连接好电路.(2)把滑动变阻器的滑片移到一端,使其接入电路中的阻值最大.(3)闭合开关,调节滑动变阻器,使电流表有明显的示数,记录一组数据(I1、U1).用同样的方法测量几组I、U值.(4)断开开关,整理好器材.(5)处理数据,用公式法或图像法求出电池的电动势和内阻.2.数据分析(1)公式法依次记录的多组数据(一般6组)如表所示:分别将1、4组,2、5组,3、6组联立方程组解出E1、r1,E2、r2,E3、r3,求出它们的平均值作为测量结果.E=,r=.(2)图像法①根据多次测出的U、I值,作U-I图像;②将图线两侧延长,纵轴截距的数值就是电池电动势E;③横轴截距(路端电压U=0)的数值就是短路电流;④图线斜率的绝对值等于电池的内阻r,即r==,如下图所示.三、注意事项与误差分析1.为使电池的路端电压有明显变化,应选取内阻较大的旧干电池和内阻较大的电压表.2.实验中不能将电流调得过大,且读数要快,读完后立即切断电源,防止干电池大电流放电时内阻r的明显变化.3.当干电池的路端电压变化不很明显时,作图像时,纵轴单位可取得小一些,且纵轴起点可不从零开始.如下图所示,此时图线与纵轴交点仍为电池的电动势E,但图线与横轴交点不再是短路电流,内阻要在直线上取较远的两点用r=||求出.4.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图像时描点不准确.(2)系统误差:主要原因是电压表的分流作用,使得电流表上读出的数值比流过电源的电流偏小一些.U越大,电流表的读数与总电流的偏差就越大,将测量结果与真实情况在U-I 坐标系中表示出来,如下图所示,可见E测<E真,r测<r真.技巧点拨一、选择仪器时注意掌握的原则1.安全性原则,即一定要保证仪器的安全,对电表来讲不超量程,对滑动变阻器来讲不能超其额定电流.2.精确性原则,即要保证测量时读数精确,对电表来讲在不超量程的前提下,尽量选用小量程的,对欧姆表来讲尽量让指针指在中值刻度附近.3.方便性原则,此原则主要针对滑动变阻器来讲,在滑动变阻器控制电路时,电路的电压、电流的变化范围要尽可能大,以便获取多组测量值.二、伏阻法测电动势和内阻1.电路图:如图甲所示2.实验原理:E=U+r3.数据处理(1)计算法:由解方程组可求得E和r.(2)图像法:由E=U+r得:=+·.故-图像的斜率k=,纵轴截距为,如图乙.图甲图乙三、安阻法测电动势和内阻1.电路图:如下图所示.2.实验原理:E=IR+Ir.3.数据处理(1)计算法:由解方程组求得E,r.(2)图像法:由E=I(R+r)得:=R+,可作-R图像(如图甲)-R图像的斜率k=,纵轴截距为又R=E·-r,可作R-图像.(如图乙)R-图像的斜率k=E,纵轴截距为-r.例题精练1.(蚌山区校级模拟)测定某种特殊电池的电动势和内阻。
测定电源电动势和内阻(共20张PPT)

(1)图甲中将定值电阻R1和电流表G 串联,相当于把电流表G改装成了
一个量程为__________V的电压表。
(2)闭合开关,多次调节电阻箱,并
记下电阻箱的阻值R和电流表G的示数I。
图8
(3)分别用E和r表示电源的电动势和内阻,则1/I和1/R的关系式为
_______________。(用题中字母表示)
U/V
11.8 10.6
I/A
0.51 0.44
(4)请判断,从第1次实验到第2次实验,滑动变阻器滑动触头向 ________(填“右”或“左”)滑。
解析 (1)多用电表测电压,电流应从红表笔流进,故红表笔应接电池板的正极。 (2)从表中数据来看,量程应选择 0~15 V,开关要控制整个电路,故应选线②。 (3)由路端电压与电流的关系可知,表 1 数据符合实际。 (4)滑动变阻器连入电路中的电阻越小,电压表的示数越小,电路中电流越大, 故从第一次实验到第二次实验,滑动变阻器的滑动触头向左移动。 答案 (1)正 (2)② (3)表 1 (4)左
U/V
1.5
*
1.0
*
*
0.5
*
*
短路电 流I短
0
*
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 I/A
甲
U/V
1.5
非短路电流
1.4
1.3
纵 坐 标 1.2
可 以 不 1.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 I/A
从0开始
乙
二、用电流表、电阻箱测电源的电动势和内阻
实验原理 实验电路
数据处理 (1)图象法
误差来源
E=IR+Ir
1I =E1 ·R+Er
(2)计算法 E=I1R1+I1r E=I2R2+I2r