高中 | 闭合电路的欧姆定律基本问题 题目答案及解析

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选修3-1

第二章 恒定电流

2.7 闭合电路的欧姆定律

闭合电路的欧姆定律基本问题

某物理兴趣小组开展物理课外活动,欲测干电池的电动势和内阻。

该小组利用如图甲所示的电路图测量干电池的电动势和内阻,闭合开关$S_{1}$,把开关$S_{2}$掷于$1$时,改变滑动变阻器接入电路的电阻,得到多组电流和电压值,然后做出$U$$-$$I$图像如图乙中的$a$直线,再把开关$S_{2}$掷于$2$。做出$U$$-$$I$图线如图乙中的$b$直线,根据图像求出电源电动势$E=$                  $\rm V$,电源内阻$r=$                  $\Omega$。(结果均保留三位有效数字)

[]
[["$1.40$","$7.00$"]]

开关${{\text{S}}_{2}}$掷于$1$时电压表测量的电压值不包括电流表两端的电压,由闭合电流欧姆定律有$U=E-I\left( r+{{R}_{\text{A}}} \right)$,结合题图乙$a$的线可知$E=1.40\ \text{V}$,由于坐标原点是($0$$0.54$),所以要求$r$的准确值需要求出直线$b$对应的短路电流,由相似比得${{I}_{\text{m}}}=\dfrac{1.35\times 0.12}{1.35-0.54}\ \text{A}=0.2\ \text{A}$,可得$r=\dfrac{E}{I_{\text{m}}}=7.00\ \Omega$

另一学习兴趣小组利用如图丙所示电路测量同样的干电池的电动势和内阻,闭合开关前,将电阻箱阻值调至最大,然后闭合开关,多次调节电阻箱,记录下电阻箱的阻值$R$和相应电压表读数$U$

①根据如图丙电路,可得$\dfrac{1}{U}=$                  (用$R$$R$₀、$r$$R_{V}$$E$表示)

②图中电压表量程为$\rm 1.2\ V$,内阻为$480\ \Omega$,定值电阻$R_{0}=20\ \Omega$,电阻箱最大阻值为$999.9\ \Omega$,利用测量数据,作$\dfrac{1}{U}-R$图线如图丁,已知该直线截距为$0.87$,斜率为$0.034$,则$E=$                   $\rm V$(保留三位有效数字),$r=$                   $\Omega$(保留一位小数)。

[]
[["$\\dfrac{1}{E}\\cdot\\dfrac{R_{0}+R_{\\text{V}}}{R_{0}R_{\\text{V}}}R+\\dfrac{1}{E}\\left( \\dfrac{R_{0}+R_{\\text{V}}}{R_{0}R_{\\text{V}}}r+1\\right)$","$1.53$","$6.4$"]]

由闭合电流欧姆定律有$E=\left( \dfrac{U}{{{R}_{0}}}+\dfrac{U}{{{R}_{\text{V}}}} \right)\left( R+r \right)+U$,整理得$\dfrac{1}{U}=\dfrac{1}{E}\cdot \dfrac{{{R}_{0}}+{{R}_{\text{V}}}}{{{R}_{0}}{{R}_{\text{V}}}}R+\dfrac{1}{E}\left( \dfrac{{{R}_{0}}+{{R}_{\text{V}}}}{{{R}_{0}}{{R}_{\text{V}}}}r+1 \right)$

结合图丁,分析以上函数可得$\dfrac{1}{E}\dfrac{R_{0}+R_{\text{V}}}{R_{0}\cdot R_{\text{V}}}=0.034$$\dfrac{1}{E}\left( \dfrac{R_{0}+R_{\text{V}}}{R_{0}R_{\text{V}}}r+1\right)=0.87$,联立解得$E=1.53\ \text{V}$$r=6.4\text{ }\ \Omega$

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