专题11 测量电源的电动势和内阻——【备考2023】高考物理实验题专项精讲精练学案（原卷版+解析版）

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1.三种实验设计方法
方法一
采用一只电压表V，一只电流表A，一只滑动变阻器R0和开关S、导线若干，如图1所示。根据闭合电路欧姆定律：E=U+Ir，改变滑动变阻器R0的阻值，可以测得多组I、U值，然后作出U-I图像，利用截距、斜率解得E、r。
方法二
也可采用一只电流表A，一只电阻箱和开关S、导线若干，如图2所示，原理公式：E=I(R+r)。
方法三
也可采用一只电压表V，一只电阻箱R和开关S、导线若干，如图3所示，原理公式：。
2.伏安法实验步骤
(1)电流表用0~0.6A量程，电压表用0~3V量程，按图连接好电路。
(2)把滑动变阻器的滑片移到使变阻器接入电路中的阻值最大的一端。
(3)闭合开关，调节滑动变阻器，使电流表有明显示数，记录一组数据(I、U)，用同样方法测量几组I、U值，记录在自己设计的表格中。
(4)断开开关，整理好器材。
3.数据处理方法
(1)E和r的求解：由U=E-Ir得
解得
(2)用作图法处理数据，如图所示。
①图线在纵轴上的截距为E；
②图线在横轴的截距为；
③图线的斜率的绝对值为。
典例1：（2022·湖北·高考真题）某探究小组学习了多用电表的工作原理和使用方法后，为测量一种新型材料制成的圆柱形电阻的电阻率，进行了如下实验探究。
（1）该小组用螺旋测微器测量该圆柱形电阻的直径D，示数如图甲所示，其读数为_____mm。再用游标卡尺测得其长度L。
（2）该小组用如图乙所示的电路测量该圆柱形电阻Rx的阻值。图中电流表量程为0.6A、内阻为1.0Ω，定值电阻R0的阻值为20.0Ω，电阻箱R的最大阻值为999.9 Ω。首先将S2置于位置1，闭合S1，多次改变电阻箱R的阻值，记下电流表的对应读数I，实验数据见下表。
根据表中数据，在图丙中绘制出图像。再将S2置于位置2，此时电流表读数为0.400A。根据图丙中的图像可得_____Ω（结果保留2位有效数字）。最后可由表达式____得到该材料的电阻率（用D、L、表示）。
（3）该小组根据图乙的电路和图丙的图像，还可以求得电源电动势_________V，内阻_______Ω。（结果均保留2位有效数字）
（4）持续使用后，电源电动势降低、内阻变大。若该小组再次将此圆柱形电阻连入此装置，测得电路的电流，仍根据原来描绘的图丙的图像得到该电阻的测量值会_____（选填“偏大”、“偏小”或“不变”）。
典例2：（2021·天津·高考真题）随着智能手机的广泛应用，充电宝成为手机及时充电的一种重要选择。充电宝可以视为与电池一样的直流电源。一充电宝的电动势约为，内阻很小，最大放电电流为，某实验小组测定它的电动势和内阻。他们剥开充电宝连接线的外绝缘层，里面有四根导线，红导线为充电宝的正极，黑导线为充电宝的负极，其余两根导线空置不用，另有滑动变阻器R用于改变电路中的电流，定值电阻，两只数字多用电表M、N，两表均为理想电表，并与开关S连成如图所示电路。
①图中测量电流的电表是___________，测量电压的电表是___________。（均填写字母“M”或“N”）
②调节滑动变阻器，测得多组I、U数据，记录如下表，其中只有一个数据记录有误，审视记录的数据，可以发现表中第___________次的记录数据有误。（填测量次数的序号）
③电路中接入可以达到下列哪个效果。___________（填选项前的字母）
A．使测电流的电表读数变化明显 B．为了更准确地测量充电宝内阻
C．避免使充电宝的放电电流过大 D．减小测量电压的电表分流作用
1．（2022·广西·一模）某同学利用图甲所示的电路测定定值电阻R0的阻值以及电源的电动势E和内电阻r。调节滑动变阻器的滑动触头P，记录电流表A、电压表V1和电压表V2的测量数据，并根据数据描绘了图乙所示的两条U-I直线。（已知电流表内阻为，电压表内阻均足够大）
（1）某次测量电压表示数如图丙所示，则该表读数为________V；
（2）根据图乙，电源电动势E=_________V，内电阻r=________Ω，定值电阻的阻值为R0=________Ω；（结果保留两位有效数字）
（3）若将定值电阻R0直接接到该电源的两极，则该电阻消耗的电功率为_________W。（结果保留两位有效数字）
2．（2022·浙江温州·一模）（1）图1是一个多量程多用电表的简化电路图。当选择开关S旋到5或6位置时，可用来测量____________（选填“电流”或“电压”或“电阻”），其中S旋到6位置时比5位置的量程较____________（选填“大”或“小”）。将多用电表选择开关旋到“”直流电压挡，测量某直流电源电压，正确操作后表盘指针如图2所示，其示数为____________V。
（2）在“电池电动势和内阻的测量”实验中，除一节干电池、电键和导线外，还提供了如下器材：
A．电流表（量程为，内阻）
B．电流表（量程为，内阻）
C．电压表V（量程为，内阻约为）
D．可变电阻：电阻箱（阻值可调范围）
E．可变电阻：滑动变阻器（阻值变化范围）
某同学设计的电路图如图3所示，电表应选择____________（选填“A”或“B”或“C”），可变电阻应选择____________（选填“D”或“E”）。正确操作后，利用测得的数据得到如图4所示的图像，图像横坐标x表示的物理量是____________（选填“I”或“”或“U”或“”），该电池的内阻____________。
3．（2022·湖南怀化·一模）压力传感器按用途分类主要是压力监视、压力测量和压力控制及转换成其他量的测量。按供电方式分为压阻型和压电型传感器，前者是被动供电的，需要有外电源，后者是传感器自身可以产生电压，不需要外加电源。为了探究某压电型压力传感器的输出电流与其所受正压力之间的关系，某兴趣小组的同学做了如下实验，将压力传感器水平放置，接入如图甲所示的电路，其上放置一与压力传感器上表面面积接近的平整薄硬木板（使压力传感器上表面受力均匀），电流表是量程为、内阻为的灵敏电流表。当在木板上放置重物时，因为压力传感器受到正压力，其两端将产生输出电压，此时压力传感器相当于不计内阻的电源，记录放置不同数量的重物产生的压力与此时通过电流表的电流，并绘制图像，已知重物的质量均相同，压力传感器产生的输出电压与受到的正压力成正比。
（1）测量结束后得到重物个数与所读的电流表示数之间的关系如表格所示，表中数据中明显存在错误的一组是第______组。（填重物个数，重物个数即为实验组数）
（2）根据表格中的数据在图乙所示坐标系中描绘出电流随重物个数变化的图线______。图线不过原点的原因是______。
（3）通过查询实验所用压力传感器的参数，发现铭牌上的参数显示其正常工作压力范围为，对应输出电压范围为。而实验室只提供5个的重物，取，若忽略薄硬木板的质量，则要想使重物全部放入时灵敏电流表恰好满偏，则电阻的阻值应为______。
（4）若将两个相同的压力传感器按图丙方式放置连接（不计传感器和薄硬木板的重力），放上相同质量的重物后，甲、丙两图中电流表示数之比为______。
4．（2022·湖北·模拟）新型冠状病毒肆虐全球，给人类的生命安全带来了极大的威胁与伤害，感染新冠病毒的主要症状有咳嗽、发热、头疼、全身乏力等，进行体温监测是进行新冠排查的主要手段之一。某中学生小明利用热敏电阻自制了一简易温度计，其内部电路装置如图甲，使用的器材有：直流电源（，内阻不计）、毫安表（量程未知）、电阻箱（最大阻值）、热敏电阻一个、开关和、导线若干。
（1）为了确定毫安表的量程和内阻，先把电阻箱的阻值调到最大，然后将开关接至端，闭合开关，逐渐调节电阻箱的阻值，发现当毫安表指针刚好偏转至满偏的处，电阻箱示数如图乙，此时电阻箱阻值为________。将电阻箱阻值调为时，毫安表刚好偏转至满偏的处，由此知毫安表的量程为________，内阻________。（计算结果保留两位有效数字）
（2）将开关接至端，闭合开关，该温度计可开始工作，为了得到摄氏温度与电流之间的关系，小明通过查阅资料，发现自己使用的热敏电阻为正温度系数热敏电阻，其阻值随摄氏温度增加而线性增加，比例系数为，已知该电阻0℃时的阻值为，请帮助小明写出该简易温度计所测摄氏温度与电流之间的关系式：________（用、、、等符号表示）。
5．（2022·浙江·模拟）某高中的STEM小组决定测量一组水果电池的电动势和内阻。他们将两个金属电极锌片、铜片插入两个水果中就可以做成一组水果电池。由于电流过于微弱，实验小组采用微安表，且微安表的内阻为。
（1）他们应该选择下面哪一个实验电路图__________（选填“甲”或“乙”）；
（2）按照（1）中选好的电路图把丙中的实物图连线补充完整____________；
（3）实物图连接好后，当滑动变阻器在阻值较大范围内调节时，电压表示数变化不明显，其原因是所选用的滑动变阻器__________；
（4）按要求更换滑动变阻器后，改变滑动变阻器连入电路的阻值，根据测量数值作出如图所示的U-I特性曲线，则该组水果电池的内阻__________（保留两位有效数字）
6．（2022·甘肃·永昌县第一高级中学模拟）某兴趣小组测一电池组的电动势和内阻，电动势约为，内阻约为。现有如下实验器材：
A．电压表（，内阻约为） B．电流表A（）
C．定值电阻（） D．电阻箱（）
E.滑动变阻器（） F.待测电池组 G。电键S、导线若干
（1）为完成实验需将电流表A改装成较大量程的电流表，A应与定值电阻___________联（填“串”或“并”），改装后电流表的量程为___________mA。
（2）为使测量尽可能准确，电阻箱与滑动变阻器应选___________（填“”或“”）
（3）根据你所选用的实验器材，设计实验电路并在虚线框内将电路图补充完整（所选器材要标明符号）。( )
（4）按正确的电路图连接好电路进行实验，并多次测量，同时记录各仪器的读数，然后做出图像如图所示，若图像的斜率为k，纵轴截距为b，则该电池组的电动势___________，内阻___________（用k、b表示，题中已知字母均为基本单位）。
7．（2022·黑龙江哈尔滨·模拟）一同学用伏安法测量一节干电池的电动势和内电阻，可供选择的器材有：
A．毫安表A1（量程10mA，内阻为100Ω）
B．毫安表A2（量程120mA，内阻为20Ω）
C．定值电阻R1=5Ω
D．定值电阻R2=0.1Ω
E．定值电阻R3=200Ω
F．定值电阻R4=1400Ω
G．滑动变阻器R
H．开关、导线若干
（1）要求使用已有器材改装一量程为0.6A的电流表，则需选择的器材为________、_________（填写器材前的字母）；
（2）要求改装一量程为3V的电压表，则需选择的器材为________、________（填写器材前的字母）；
（3）利用改装后的电表设计电路如图甲，根据测量所得数据，描点作图，得到毫安表A1和A2的示数I1与I2关系曲线如图乙所示，则电池的电动势E=_________V，内电阻r=_________Ω。（结果均保留两位有效数字）
8．（2022·河南·模拟）为了测量干电池组的电动势和内阻，某同学在实验室内选择了合适的器材组成了如图甲所示的电路。图中定值电阻R0=2Ω，电流表A1的量程为100mA，内阻RA1=10Ω；电流表A2的量程为200mA，内阻RA2=5Ω，定值电阻R1=2Ω。
（1）请在图乙的方框内，画出图甲电路的电路图；( )
（2）电路中将R2与电流表A2串联，将电流表A2改装成了量程为3V的电压表，则R2=___________Ω，此电路中定值电阻R0中可能通过的最大电流为___________A；
（3）闭合开关K前，将图甲中滑动变阻器的滑片移到___________（填“a”或“b”）端，闭合电键后，多次调节滑动变阻器的滑片，得到多组电流表A1、A2的示数I1、I2，以I2为纵轴、I1为横轴作I2—I1图像，得到图像与纵轴的截距为190mA，图像斜率绝对值为2，则电池组的电动势E=___________V，内阻r=___________Ω（结果均保留三位有效数字）。
9．（2022·福建省福州第一中学模拟）利用电流表（内阻约为0.5Ω）和电压表（内阻约为3kΩ）测定一节干电池的电动势和内阻（小于10Ω），要求尽量减小实验误差。
（1）应该择的实验电路是___________（填写“甲”或“乙”）；
（2）处理实验中的数据得到如图丙所画图线，可得出干电池的电动势E=___________V；（保留3位有效数字）、内阻r=___________Ω（结保留3位有效数字）；
（3）本实验所测电池的电动势与真实值相比___________（填写“偏大”“偏小”或“相等”）；
（4）为了较准确地测量电动势，有人设计了如丁所示测量电路，供电电源电动势E保持不变，AB是一根均匀的电阻丝，其电阻和长度成正比，E0是标准电池（电动势E0已知）。Ex是待测电池（电动势Ex未知），现合上开关S后。将开关S1和S2合到Ex一侧，保持滑动接头于D点不动，调整电阻R使电流计G中无电流。此后保持R不变，将开关S1和S2合向Ex一侧，这时移动滑动头的位置，直到电流计中也没电流为止。以X表示这时滑动接头的位置，己测得AD段距离为LAD，AX段距离为LAX，可求得待测电源电动势Ex=___________。
10．（2022·江西景德镇·二模）为了测量某电池的电动势和内阻，某同学设计了如图甲所示的电路。其中E为待测电池，G为灵敏电流计，A1、A2为微安表，V1、V2为毫伏表，R1、R2为电阻箱。
（1）根据图甲中的电路图，用笔画代替导线，完成图乙中的实物连线__________；
（2）闭合开关S，调节R1、R2的阻值，使G的示数为零，此时V1、V2的读数分别为U1=235.0mV、U2=265.0mV，A1、A2的读数分别为I1=150.0μA、I2=250.0μA；
（3）适当调大R2的阻值，通过灵敏电流计G的电流方向___________（填“从P到Q”或“从Q到P”），缓慢___________（填“调大”或“调小”）R1的阻值，使G的示数再次为零，此时V1、V2的读数分别为、，A1、A2的读数分别为、；
（4）该电池的电动势E=___________V，内阻r=___________Ω。R/Ω
I/A
/A-1
5.0
0.414
2.42
10.0
0.352
2.84
15.0
0.308
3.25
20.0
0.272
3.68
25.0
0.244
4.10
30.0
0.222
4.50
次数
1
2
3
4
5
6
7
电流
0.299
0.477
0.684
0.877
1.065
1.281
1.516
电压
4.970
4.952
4.932
4.942
4.894
4.872
4.848
重物个数个
1
2
3
4
5
电流表示数
0.22
0.43
0.6
0.84
1.00