测定电池的电动势和内阻的实验在高考实验复习中是一块很重要的内容,也是高考经常考的考题。
关键核心:组成闭合电路通过欧姆定律建立方程组,把方程组中的E,r求解出来。
欧姆定律常用三种表达式
E=U+Ir用在伏安法上,E=I(R+r)用在安阻法上,E=U+Ur/R用在伏阻法上。
电池内部有电阻啊,用电压表测有电流,会耗掉一部分电动势,用对消法测得话,内部无电流,电阻不起作用,这样测就准了。原电池是化学能变为电能的装置,它由两个“半电池”组成,每个半电池中有一个电极和相应的电解质溶。
注意:E=U+Ir,U必须为路端电压,I必须为干路电流。
以下介绍几种常用方法测定E和r:
一、粗略测定电动势
把伏特表直接连接在电源两端
直接连接在电源两端
使原电池的输出电压小于原电池的电动势,所以不能用电压表直接测量原电池电动势。另一方面,一般原电池是做为计量电压的标准,为了保持其精度,也不允许让它消耗电流,只能配合电位差计使用。
电压表为理想电压表的话,电路视为开路,开路电压等于电源电动势。在实验中,考虑电压表电阻并非无穷大,电压表读数实际为路端电压,比电源电动势更小,E=U+Ir。
电池的电动势不能直接用伏特计来测量.因为当把伏特计和电池接通过后,必须有 适量的电流通过才能使伏特计显示,这样电池就发生化学反应,溶液浓度不断改变 .因而电动势也不断变化,这时的电池已不是可逆电池.另外电池本身有内阻。
路端电压小于电源电动势
这是比较粗略的测量方法,但是此种方法电源内阻就没有测出来。
二、更精确的测量方法
1、U-I法(伏安法):根据闭合电路欧姆定律可知,只要测出两组路端电压和总电流,对消法测量电池电动势的主要原理,联立解方程组即可得电源的电动势E和内阻r。,
该方法一般有电流表外接法(如图1)和电流表内接法(如图2):
相对电源电流表外接
相对电源电流表内接
由闭合电路欧姆定律(E=U+Ir),移动滑动变阻器,得到两组数据:
两组数据的方程组
解出此方程组,得到电源内阻:
解出电源内阻
r的值不可能为负数,因为若U2>U1,必定I1>I2。
得到电源电动势:
解出电源电动势(不可能为负值)
考虑电压表分流
但是图2电路是没有考虑到电流表分压,此处的电压并非真的是路端电压,而是一个近似替代值,因此考虑电流表分压的情况下,上面的方程必须进行修正,修正后为:
考虑电流表分压
从上面方程分析可知,因为电表不是理想的,而实验中又当成理想的了,自然造成系统误差。
也可以用图像来分析:
图1的图像分析
从图中可以看出,电源电动势测量值小于真实值,电源内阻测量值小于真实值。
图2的图像分析
从图中可以看出,电源电动势测量值等于真实值,电源内阻测量值大于真实值。
那么究竟哪个电路图更准确呢?
如果把图1中电压表和电源圈起来,这样电流表的电流就是干路电流了,电压也是路端电压了。
把电压表和电源圈起来
如果把图2中电流表和电源圈起来,这样电压表的电压就是路端电压了,电流也是干路电流了。
这就是所谓的等效电源法,我们采用等效电源法来分析:
第一种情况:把图A的电路等效为图B的电源:
等效电动势和内阻
因为:在测量电动势时,如果用万用表或者伏特计直接测量的话,由于电压表也有一定电流通过,测出的值是电池的路端电压,而不是电源的电动势。所以要想消除电源的内阻影响,测出电源的电动势,需要用到补偿法,用一个电压与。
第二种情况:把图C的电路等效为图D的电源:
等效电动势和内阻
证明:第一种情况
得到
第二种情况:
变形得:
对等效电路由欧姆定律得:
得到:
结论:结果得到的是等效电源的电动势和内阻
电池的电动势不能直接用伏特计来测量。因为当把伏特计和电池接通过后,必须有适量的电流通过才能使伏特计显示,这样电池就发生化学反应,溶液浓度不断改变。因而电动势也不断变化,这时的电池已不是可逆电池。另外电池本身有内阻,用伏特计所。
误差情况:
第一种情况:
误差情况
第二种情况:
误差情况
所以用电流表和电压表测定电池的电动势和内阻的电路,实验室采用图1所示电路。
2、I-R(安阻法)法:电路如图3、图4所示。
3、U-R法(伏阻法):电路如图5、图6所示。
对于I-R法测定电池的电动势和内阻,其误差同理可得与I-U法中图2电路的误差类同,即
对于U -R法测定电池的电动势和内阻,其误差同理可得与I-U法中图1电路的误差类同,即
用等效电源法分析本实验的误差可以使我们加深理解测电源电动势和内阻的原理。高考要求的实验内容较多、实验方法也很多,我们可以通过掌握系统的实验方法和应用恰当的误差分析方法来理解、掌握实验内容,以提高实验题的得分。