2022年人教版高中物理選修3-1 第二章 第10節(jié) 實(shí)驗(yàn)：測定電池的電動勢和內(nèi)阻 教案1

2022年人教版高中物理選修3-1 第二章 第10節(jié) 實(shí)驗(yàn)：測定電池的電動勢和內(nèi)阻 教案1三維目標(biāo)知識與技能1了解并掌握測定電池的電動勢和內(nèi)阻的原理和實(shí)驗(yàn)方法。2學(xué)習(xí)用圖象法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。過程與方法1通過設(shè)計(jì)電路和選擇儀器，開闊思路，激發(fā)興趣；2養(yǎng)成規(guī)范操作實(shí)驗(yàn)并能科學(xué)、合理地處理數(shù)據(jù)的習(xí)慣。情感、態(tài)度與價值觀1使學(xué)生理解和掌握運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段處理物理問題的基本程序和技能，具備敢于質(zhì)疑的習(xí)慣，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度和不斷求索的精神；2培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、思維能力和操作能力，提高學(xué)生對物理學(xué)習(xí)的動機(jī)和興趣；3培養(yǎng)學(xué)生合作探究的團(tuán)隊(duì)意識。教學(xué)重點(diǎn)掌握實(shí)驗(yàn)原理和方法，學(xué)會處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。教學(xué)難點(diǎn)如何利用圖線得到結(jié)論以及實(shí)驗(yàn)誤差的分析。教學(xué)方法討論法、啟發(fā)法、分析歸納法，分組實(shí)驗(yàn)。教具準(zhǔn)備電流表、電壓表、滑動變阻器、開關(guān)、舊兩節(jié)電池、導(dǎo)線若干。教學(xué)過程新課導(dǎo)入在閉合電路歐姆定律一節(jié)的例題中我們學(xué)習(xí)過一種利用閉合電路歐姆定律求電池電動勢和內(nèi)電阻的方法。利用閉合電路歐姆，用哪些儀器、方法都可以測定電池的電動勢和內(nèi)阻呢？這節(jié)課我們就根據(jù)閉合電路的歐姆定律，來測量電池的電動勢和內(nèi)阻。新課教學(xué)一、實(shí)驗(yàn)原理要測出干電池的電動勢和內(nèi)電阻，你需要什么儀器，采用什么樣的電路圖，原理是什么？學(xué)生討論后，可以得到多種實(shí)驗(yàn)方案。主要有下面的四種方案。1伏安法用電壓表、電流表、可變電阻（如滑動變阻器）測量。根據(jù)電壓表和電流表所接位置的不同，原理電路有兩種，如下圖。VAE rSRVAE rSR設(shè)電源電動勢為E，內(nèi)阻為r，路端電壓為U，回路中的總電流為I，根據(jù)閉合電路歐姆定律有原理公式：EUIr從理論上講，如果能測出U、I的兩組數(shù)據(jù)，就可以列出兩個關(guān)于E、r的方程，于是能夠從中解出E和r。EU1I1rEU2I2r解得：，。2歐安法用電流表、電阻箱測量。ARErS原理電路如圖所示。根據(jù)閉合電路歐姆定律有原理公式：EIRIr從理論上講，如果能測出I、R的兩組數(shù)據(jù)，就可以列出兩個關(guān)于E、r的方程，于是能夠從中解出E和r。EI1R1I1rEI2R2I2r解得：，。3歐伏法RErSV用電壓表、電阻箱測量。原理電路如圖所示。根據(jù)閉合電路歐姆定律有原理公式：EU從理論上講，如果能測出U、R的兩組數(shù)據(jù)，就可以列出兩個關(guān)于E、r的方程，于是能夠從中解出E和r。EU1EU2解得：，。以上幾種方法均可測量，這節(jié)課選擇第一種測量方案。二、實(shí)驗(yàn)方法引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材6970頁有關(guān)內(nèi)容，回答下列問題。（1）用水果電池的優(yōu)點(diǎn)是什么？電源的正負(fù)極如何鑒別？其內(nèi)阻與哪些因素有關(guān)？實(shí)驗(yàn)過程中會有何變化？實(shí)驗(yàn)中要注意什么？（2）簡要寫出實(shí)驗(yàn)步驟。學(xué)生閱讀教材，解決以上問題。并在教師指導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)，要記錄至少六組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。把較粗的銅絲和鐵絲相隔約幾毫米插入馬鈴薯中，就制成了一個水果電池（銅絲和鐵絲相距越近、插入越深，電池的內(nèi)阻就越?。?，銅絲是電池的正極，鐵絲是負(fù)極?，F(xiàn)在來沒水果電池的電動勢和內(nèi)電阻，以實(shí)驗(yàn)原理中的第一個思路為例，說明實(shí)驗(yàn)的方法。這個方法的特點(diǎn)是簡單明了，而且便于通過作圖處理數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)是要同時使用兩個電表來測量電流和電壓。1實(shí)驗(yàn)方法（1）按伏安法中左圖所示接好電路。其中電流表用0.6A量程，電壓表用3V量程，滑動變阻器置于阻值最大位置。（2）閉合開關(guān)后用，用直流電壓擋測出變阻器兩端的電壓，用電流擋測出通過變阻器的電流，把電壓值和電流值記錄在預(yù)先繪制的表格中。次數(shù)123456電流I（A）電壓U（V）（3）減小變阻器電阻，通過它的電流隨之增大，這樣又獲得電壓和電流的另一組數(shù)據(jù)，并記錄在表格中。（4）重復(fù)步驟（3），可以得到多組電壓、電流值，并記錄在表格中。2注意事項(xiàng)（1）用水果電池做這個實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是它的內(nèi)阻比較大，容易測量。但任何電池在使用過程中，由于化學(xué)反應(yīng)正極附近都會析出氣體，在一定程度上使電極與電解質(zhì)溶液（水果電池中就是果汁）隔離，明顯地改變了內(nèi)阻，水果電池尤其是這樣。所以，測量前要做好充分準(zhǔn)備，測量盡量迅速，使得內(nèi)阻發(fā)生較大變化之前結(jié)束測量。（1）若用干電池做實(shí)驗(yàn)，由于干電池的內(nèi)電阻較小（0.51.5），如果電路短路，電路中電流過大，會損壞電表和電池，因而調(diào)節(jié)滑動變阻器時要防止電阻為零的情況發(fā)生。（3）一般來說干電池的電動勢和內(nèi)電阻是要變化的，隨著電池使用時間的增加，它的電動勢減小，內(nèi)電阻增加。實(shí)驗(yàn)中使用電動勢為1.4V左右半新電池效果較好。如果是新電池，電動勢在1.55V到1.58V之間，使用前應(yīng)用小電流放一下電，使電動勢降到1.5V，并且穩(wěn)定下來。（4）實(shí)驗(yàn)時為了不使在外電阻較小時，電路中的電流長時間超過干電池的正常放電電流（0.3A），應(yīng)使通電時間越短越好，只是在讀取數(shù)據(jù)時讓電路接通，否則易損傷電池。（5）改變滑動變阻器的阻值時，最好讓兩個電表中的一個表的指針指整數(shù)格，每次的電阻值的變化適當(dāng)大一些，可以減小讀數(shù)誤差，電表讀數(shù)應(yīng)多估計(jì)一位。（6）電池的內(nèi)阻若太小則不易測量，所以實(shí)驗(yàn)中用舊電池或者在電池外串一電阻充當(dāng)電源內(nèi)阻。三、數(shù)據(jù)處理1公式法從理論上講，根據(jù)閉合電路歐姆定律，利用兩組數(shù)據(jù)，建立方程組，就能解出E和r。這樣雖然簡單，誤差卻可能很大。為了減小誤差，可以多測幾組數(shù)據(jù)，分別列出若干組聯(lián)立方程，求出若干組E和r，最后用平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在建立方程時，兩次的U、I差值應(yīng)稍大些，可將第1、4兩次測得的U、I值代入公式，求出E和r。同理，由第2、5次，第3、6次的測量結(jié)果可求出相應(yīng)的E和r。然后求出電池的電動勢E和內(nèi)電阻r的平均值。2圖象法利用圖象處理也能減小結(jié)果的誤差，而且更簡便、更直觀。電源的路端電壓與電流的關(guān)系為UEIrUIOEI短其中r、E分別為電池的內(nèi)電阻和電動勢，對于一個電池來說是常量；而對于幾次不同的測量來說，U、I各不相同，是變量。所以上式是一個一次函數(shù)的表達(dá)式，它的UI圖象是一條直線。以I為橫坐標(biāo)、U為縱坐標(biāo)建立直角坐標(biāo)系，根據(jù)幾組I、U的測量數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中描點(diǎn)。此時可以看到這些點(diǎn)大致呈直線分布。如果發(fā)現(xiàn)個別明顯錯誤的數(shù)據(jù)，應(yīng)該把它剔除。用直尺畫一條直線，使盡量多的點(diǎn)落在這條直線上，不在直線上的點(diǎn)能大致均衡地分布在直線兩側(cè)，這條直線就能較好地代表UI關(guān)系，如圖所示。直線與縱軸的交點(diǎn)表示的物理意義是什么？與橫軸的交點(diǎn)表示的物理意義是什么？直線的斜率呢？直線與縱軸的交點(diǎn)表示I0，屬于斷路的情況，這里的電壓U等于電源的電動勢E。與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)表示U0，屬于短路的情況，根據(jù)短路電流I短跟電源內(nèi)電阻r、電動勢E的關(guān)系r，可以求出電源的內(nèi)阻r，也就是直線的斜率的絕對值。說明：兩個截距點(diǎn)均是無法用實(shí)驗(yàn)實(shí)際測到的，是利用得到的圖線向兩側(cè)合理外推得到的。由于r一般很小，得到的圖線斜率的絕對值就較小。為了使測量結(jié)果準(zhǔn)確，可以將縱軸的坐標(biāo)不從零開始，此時直線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)不表示短路電流，計(jì)算r時選取直線上相距較遠(yuǎn)的兩點(diǎn)求得，。VAE rSR四、誤差分析實(shí)驗(yàn)中選用的實(shí)驗(yàn)電路如右圖，造成誤差的主要原因是電壓表的分流作用，導(dǎo)致電流表測量的電流與通過電池的電流不等，測量的電流偏小。由于電壓表的內(nèi)阻遠(yuǎn)大于滑動變阻器的有效阻值，故系統(tǒng)誤差較小。分析本實(shí)驗(yàn)的誤差有下面的三種方法：1公式法考慮電表影響后，計(jì)算出的是電動勢和內(nèi)阻的真實(shí)值。解得：E；r。2圖象法UIOE0I短EII真不考慮電表影響時有EUIr考慮電表影響，經(jīng)修正后有不論是否考慮電表影響，短路時電流是相同的，所以圖象與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)相同。在路端電壓為某一數(shù)值時有I真I，所以考慮電表影響后的圖線傾斜程度更大，此時與縱軸的交點(diǎn)值表示電動勢的真實(shí)值，斜率的絕對值表示電池的內(nèi)阻真實(shí)值。則E0E，r0r。3等效電源法將產(chǎn)生誤差的部分劃歸到電源里，視為等效電源，測量值實(shí)際上測的是等效電源的電動勢和內(nèi)電阻。VAE rSR在本實(shí)驗(yàn)使用的方法中，是電壓表分流引起實(shí)驗(yàn)誤差，所以將電壓表劃歸到電源里，如右圖，虛線框中為等效電源，將等效電源與外電路斷開，這時兩極的電壓等于等效電源的電動勢。但因等效電源內(nèi)部，電源與電壓表形成了回路，所以等效電源的電動勢小于電源電動勢的真實(shí)值。等效電源的內(nèi)阻是電源內(nèi)阻與電壓表并聯(lián)后的電阻，所以等效電源的內(nèi)阻也小于電源內(nèi)阻的真實(shí)值。故E0E，r0r。使用等效電源法分析實(shí)驗(yàn)誤差，是本實(shí)驗(yàn)中誤差分析的一個較好的方法。在上面的四種原理電路中，形成誤差的原因有兩種，一種是電壓表的分流，另一種是電流表的分壓。ARErS若誤差是由于電流表的分壓引起的，可將電流表劃歸到等效電源里，如右圖。鼗等效電源與外電路斷開，其電動勢與電源電動勢的真實(shí)值相等，內(nèi)阻是電源內(nèi)阻的真實(shí)值與電流表內(nèi)阻之和，故內(nèi)阻的測量值偏大。E0E，rr0。選用哪種方式，要根據(jù)實(shí)際測量的需要確定，現(xiàn)在要想測出電源的內(nèi)阻，如果采用伏安法的另一種接法或用歐安法，最后得到的結(jié)果相當(dāng)于電源內(nèi)阻與電流表內(nèi)阻的總和，而兩者相差又不太多，這樣一來誤差就會比較大。小結(jié)這節(jié)課我們學(xué)習(xí)了測定電池的電動勢和內(nèi)阻的原理和實(shí)驗(yàn)方法。學(xué)習(xí)了用圖象法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和本實(shí)驗(yàn)的誤差分析。布置作業(yè)教材第7172頁“問題與練習(xí)”。