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例题精讲 · 第 00023 题 · U-I 图·截距斜率别读反

测电源电动势和内阻的实验,几乎全考 U-I 图像与误差分析。本组三道自编仿真题依次练:由闭合电路欧姆定律写出 U = E − Ir 并读出截距与斜率、由两组数据联立求 E 与 r、电流表内接/外接带来的系统误差方向(E 与 r 谁偏大谁偏小)。每题给出原始公式、图像处理、采分点与高频错因。

00023题号全 1000 篇 · 第 第4轮 / 第4册 轮
方向物理·实验六向之一
题型自编仿真题逐题精讲 · 采分点拆解

题目性质:自编仿真题——按课程标准与联招常见考点范围编写,非真题原文;解析与采分点为教研整理,非官方评分标准。

例题精讲 · 测 E 与 r

一、一条公式管全题

闭合电路欧姆定律:E = U + I r,即 U = E − r I。把 U 作纵轴、I 作横轴作图,得一条下降直线:
纵轴截距 = E(I=0 时的路端电压);斜率绝对值 = r(|k| = ΔU/ΔI);横轴截距 = I短 = E/r(U=0 时的短路电流)。
最容易错的一处:纵坐标不一定从 0 起。若 U 轴被「截断」(比如从 1.0 V 起标),横轴截距不再是短路电流,但截距 E 与斜率 r 仍照读——此时求 I短 只能用 E/r 算,不能从图上直接读交点。

二、题1 由 U-I 图读 E 与 r

题目 某同学用伏安法测一节干电池,得到 U-I 数据作出直线:直线过纵轴 U = 1.50 V,另一点为 I = 0.50 A、U = 1.10 V。求电动势 E、内阻 r 与短路电流 I短。

规范作答

由 U = E − r I,纵轴截距即 E = 1.50 V。

斜率绝对值 r = |ΔU/ΔI| = (1.50 − 1.10)/(0.50 − 0) = 0.40/0.50 = 0.80 Ω。

I短 = E/r = 1.50/0.80 = 1.875 A ≈ 1.88 A。

验算 把 I=0.50 A 代回:U = 1.50 − 0.80×0.50 = 1.50 − 0.40 = 1.10 V ✓ 与给定点一致。另 U=0 时 I=1.875 A,若图上 U 轴从 0 起,横截距应为 1.875 A,可与图像互相校验。

采分点 写出 U = E − rI(2分,原始公式本身给分);E=1.50 V(1分);斜率计算式与 r=0.80 Ω(2分);I短=1.88 A(1分);能说明「U 轴不从 0 起时横截距不等于短路电流」(1分,加分点)。

易错点 ① 把斜率当 E、截距当 r(最高发);② 斜率漏取绝对值写成 −0.80 Ω(内阻为正);③ 直接用横截距读短路电流却没检查 U 轴起点;④ 单位漏写或写成 A/V。

三、题2 两组数据联立求 E、r

题目 调节滑动变阻器,测得两组数据:I₁ = 0.20 A 时 U₁ = 1.42 V;I₂ = 0.60 A 时 U₂ = 1.26 V。求 E 与 r。

规范作答 由 E = U + I r 列方程组:

E = 1.42 + 0.20 r ……①
E = 1.26 + 0.60 r ……②

① − ②:0 = (1.42 − 1.26) + (0.20 − 0.60)r = 0.16 − 0.40 r → r = 0.16/0.40 = 0.40 Ω。
代回①:E = 1.42 + 0.20×0.40 = 1.42 + 0.08 = 1.50 V。

验算 代回②:1.26 + 0.60×0.40 = 1.26 + 0.24 = 1.50 V ✓ 两组自洽。图像视角:两点连线斜率 = (1.42−1.26)/(0.60−0.20) = 0.16/0.40 = 0.40 = r ✓,外推到 I=0 得 U=1.50 V = E ✓。

采分点 写出 E = U + Ir(1分);列出两个方程(2分);相减消元求出 r(2分);回代求 E(1分);用另一组数据验算(1分)。

易错点 ① 把公式写成 E = U − Ir(符号反);② 相减时 ΔI 取成 0.20+0.60;③ 只用一个方程就猜 E;④ 求出 r 后不回代验算。

四、题3 系统误差:两种接法谁偏谁

题目 用伏安法测 E、r,有两种接法:
甲:电压表并联在电源两端(电流表在干路,测的是通过变阻器的电流,电压表分流未计入);
乙:电流表与电源串联在内,电压表测「电源 + 电流表」整体的路端电压。
分别判断 E测 与 r测 相对真实值偏大、偏小还是相等,并说明理由。

甲(电压表分流型)规范作答

电压表分流 IV = U/RV,电流表读数 I 比干路真实电流 I真 少了 IV,即 I真 = I + U/RV。代入 E = U + I真 r 得
E = U + (I + U/RV)r → U(1 + r/RV) = E − r I → U = [E RV/(RV+r)] − [r RV/(RV+r)] I。
与 U = E测 − r测 I 对照得
E测 = E·RV/(RV+r) < E(偏小);r测 = r·RV/(RV+r) < r(偏小)。
直观理解:把电压表看成与电源并联的一部分,等效电源的开路电压与内阻都被「并联稀释」了;RV ≫ r 时两者偏差都很小。短路电流 I短 = E测/r测 = E/r 不变,可作为记忆锚点。

乙(电流表分压型)规范作答

电压表测到的是 U = E − I(r + RA)(电流表内阻被算进了电源内部)。与 U = E测 − r测I 对照得
E测 = E(准确);r测 = r + RA > r(偏大)。
直观理解:开路时 I=0,电流表上无压降,故截距不受影响;但斜率把 RA 也算成内阻,故 r 偏大。若已知 RA,可直接修正 r = r测 − RA。

采分点 甲:写出 I真 = I + U/RV(2分);推出两个表达式(各1分);判 E、r 均偏小(2分);乙:写出 U = E − I(r+RA)(2分);判 E 准确、r 偏大(2分);说明可修正(1分)。

易错点 ① 把两种接法的结论记反;② 甲中忽略 RV 有限、直接说「无误差」;③ 乙中认为 E 也偏大(截距不变是关键);④ 不写推导只背结论(过程分全丢)。

五、测 E、r 实验清单

  • □ 原始公式先行:E = U + I r ⇔ U = E − r I;
  • □ U-I 图:纵截距 = E、斜率绝对值 = r、横截距 = E/r;先检查 U 轴是否从 0 起;
  • □ 两组数据联立:相减消 E 求 r,再回代求 E,并用另一组验算;
  • □ 甲接法(电压表分流):E、r 均偏小,E/r 不变;RV 越大误差越小;
  • □ 乙接法(电流表分压):E 准确、r 偏大,可用 r = r测 − RA 修正;
  • □ 实验操作:变阻器从大阻值起调,读数快、避免电池极化与发热导致 E、r 漂移;
  • □ 作图用拟合直线,别把各点折线相连;明显偏离的点标为异常剔除并说明;
  • □ 结果带单位(V、Ω、A),结论句写全。

这一实验看着是测两个数,其实所有题都从 U = E − rI 这一行推出来。截距、斜率、误差方向各归其位,就不会记混了。

编写说明与学科依据

本文为备考教研体例稿:题目系按课程标准与联招常见考点范围编写的仿真练习题,非真题原文;文中案例为示意内容,非真实记录;文末栏目为学科依据说明,非逐条引文。涉及报考、录取、证件、居留、资助等事项,一律以当年官方文件与学校正式通知为准。

学科依据:

  • 人教版高中物理必修第三册:闭合电路欧姆定律、测电源电动势与内阻实验及数据处理
  • 《普通高等学校联合招收华侨港澳台学生考试大纲(物理科)》:电学实验考查范围(仅作命题范围参照,本文题目未与真题逐题比对)
  • 编写说明:题目条件、数据与解析为按常见考点编写的教研整理,非官方试题与官方评分标准

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