测“电源电动势和内阻”常用的方法及误差分析

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  测电源电动势和内阻属于高中物理的“恒定电流”教学内容,它也是高中物理中的重点和难点内容,为此,需要引导学生进行全面的实验设计,增进学生对物理实验原理和方法的理解,帮助学生发现、分析和解决问题。
  一、电流表外接测电源电动势和内阻的误差分析
  电流表的外接法如下图所示,在这个实验电路中,学生只须测出两组U和I的值,即可以计算出电动势和内阻。
  1.公式计算法分析误差
  如上图,假设电源的电动势和内阻的测量值分别为E测和r测,真实值分别为E和r。假设将电表内阻的影响排除在外,运用闭合电路欧姆定律,测量的原理可以用如下公式表达:E测=U1+Ι1,r测=U2+Ι2r测。如果将电表内阻的影响考虑在内,那么依据闭合电路欧姆定律,测量原理可以用如下公式表达:E=U1+(Ι1+U1/Rv)r,E=U2+(Ι2+U2/Rv)r,将上面四个公式联合计算,可以得出:E测=(Rv/Rv+r)E,r测=(Rv/Rv+r)r。根据这个计算结果,可以看出电动势和内阻的测量值都小于真实值。
  2.等效电源法测量误差
  将电压表和电源视同为一个新电源,等效电源的内阻r效是r和Rv的并联电阻,那么,其测量值r测=r效=(Rv/Rv+r)r  3.图像法
  如果将电表内阻的影响排除在外,测量的原理公式为:E测=U+Ιr测,如果将其考虑在内,那么,以闭合电路欧姆定律为依据,可知其公式为:E=U+(Ι+Ιv)r,参照下图:
  在上图中,电压表测的是电源的真实电压,而在Ι真=Ι测+Ιv的实验中,对电压表的电流Iv加以忽略而造成误差,当电压的求值越大时,其误差越大。当U=0时,其误差为零,因而,可以由上图看出E测  二、电流表内接法测电源电动势和内阻的误差分析
  1.公式计算法
  如上图,假设电源的电动势和内阻的测量值分别可以用E测和r测加以表达,而真实值分别用E和r表达,如果将电表内阻的影响排除在外,根据闭合电路欧姆定律,测量的公式为:E测=U1+Ι1r测,E测=U2+Ι2r测;如果不将电表内阻排除在外,则依据闭合电路欧姆定律,可知其公式为:E=U1+Ι1(r+RA),E=U2+Ι2(r+RA),通过对上述四个公式联立计算,可以得出:E测=E,r测=RA+r>r。由此可知,电动势的测量值等于真实值,内阻的测量值大于真实值。
  2.等效电源法
  将电流表和电源视同为一个新电源,等效电源的内阻r效是r和RA的串联电阻,其测量值r测=r效=RA>r。等效电源的电动势E效是电流表和电源串联后的路端电压,其测量值r测=E效=E,由此可知,电动势的测量值等于真实值,内阻的测量值大于真实值。
  3.图像法
  若将电表内阻的影响排除在外,测量的原理公式为:E测=U+Ιr测;如果考虑其影响,则依据闭合电路欧姆定律,测量的原理公式为:E=U+Ι(r+RA),由下图所示:
  电流表测的是电源的真实电流,而在实验中对电流表两端的电压UA加以忽略,这就造成了一定的误差,而且当电流示值越大时,其误差越大。当Ι=0时,误差为零,由上图可以明显地得出:E测=E,r测>r,电动势的测量值与真实值相等,内阻的测量则比真实值要大。
  在上述两种误差分析方法中,可以对其加以比较,由电流表外接方式方案可知电动势和内阻的测量值比真实值小;由电流表内接法可知电动势测量值与真实值相等,然而,鉴于电源自身的内阻较小,其实验测量误差较大。因而,经过全面权衡,相对而言,第一种方案即电流表外接方式最佳。
  【参考文献】
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