测量电源电动势与内电阻的电路设计与误差分析

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  [摘要]在电源电动势与内电阻的测量中,电流表接在什么位置为好,测量值与真实值比较是偏大还是偏小。初学者,甚至有的学生到高三复习时,还是云里雾里,不得要领。为帮助学生较好地理解把握相关知识规律,有效解答相关问题,文章结合教学实践进行分析探讨。
  [关键词]电动势 内电阻 电路 误差
  [中图分类号]G633.7 [文献标识码]A [文章编号] 16746058(2016)050050
  一、测量电路图
  一般实验室测量电源的电动势与内电阻时,所用电源为干电池。要测量一个电源的电动势E、内电阻r,在下面图1、2两个电路图中,到底选取哪个来测量电源电动势和内电阻比较合适呢?
  答案大家都知道,哪个测得准确就选哪个电路图,问题是这两种设计,哪种设计测得更准呢?只有用恒定电流的知识分析后才能知道。我们测量电源电动势E、内电阻r所依据的实验原理是闭合电路欧姆定律,计算式为:
  U=E-Ir
  式中U为电源路端电压、I为流过电源的干路电流。用图1所示电路测量时,路端电压测量准确,但电压表有分流作用,这种情况下,电流表所得的电流值小于实际通过电源的电流;而用图2电路测量时,干路电流测量准确,但电流表有分压作用,使电压表所测得的值小于电源电压。两种电路测量都有误差,那只有看哪个电路的误差更小就采用哪个电路。
  二、两种实验的误差分析
  造成误差的根本原因,是没有考虑电流表、电压表内阻对电路的影响,我们只要把这两个内阻考虑进去,进行比较就能轻松地取舍了。设电流表内阻为RA、电压表内阻为RV。一般RA较小,在零点几欧以下;RV较大,在几千欧以上。
  (一)计算法误差分析
  用图1所示电路测量时,改变滑动变阻器阻值,使电压表、电流表有合理读数,测量两次。考虑到电压表分流有:
  实验中电压表应选用 ;滑动变阻器应选用 。(选填相应器材前的字母)
  解析:(1)因为电压表、电流表内阻都不知道,根据前面对实验误差的分析可以确定,测量电路只能选甲图。不过测量值均小于真实值。
  (2)一节干电池的电动势一般在1.5V左右,根据电表读数应在量程的三分之一以上的原则,电压表选B最为合适。要电流表读数在量程的三分之一以上,干路最大使用电阻值在7.5Ω左右,为调节方便,滑动变阻器选C最好。
  三、一般测量与准确测量
  因不知道电流表、电压表的内电阻,在实验时我们没有把电表的影响考虑进去,这样的测量我们把它叫做一般测量。一般测量在原理上是有系统误差的,要尽量减少电表内阻的影响,所以在电路设计上要求测量量尽可能的接近真实量。
  【例3】 在做“用电流表和电压表测一节干电池的电动势和内电阻”的实验时,小明同学有如下器材:
  电压表V,量程3V、内阻=2kΩ;电流表A,量程0.6A、内阻约0.5;
  滑线变阻器R,最大阻值10Ω;开关K一个,导线若干。
  从理论上讲,这个测量结果是真实的。
  如果电流表、电压表的内阻都知道,选择哪个电路图测量都是一样的。我们把这种已知电表内阻的测量叫准确测量。当然这里的一般测量与准确测量是从设计原理上来讲的。其实电表本身的精度对实验也会产生系统误差,只不过它不在我们今天讨论的范围。
  (责任编辑 易志毅)
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