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例題精講 · 第 00023 題 · U-I 圖·截距斜率別讀反

測電源電動勢和內阻的實驗,幾乎全考 U-I 圖像與誤差分析。本組三道自編仿真題依次練:由閉合電路歐姆定律寫出 U = E − Ir 並讀出截距與斜率、由兩組數據聯立求 E 與 r、電流表內接/外接帶來的系統誤差方向(E 與 r 誰偏大誰偏小)。每題給出原始公式、圖像處理、採分點與高頻錯因。

00023題號全 1000 篇 · 第 第4輪 / 第4冊 輪
方向物理·實驗六向之一
題型自編仿真題逐題精講 · 采分點拆解

題目性質:自編仿真題——按課程標準與聯招常見考點範圍編寫,非真題原文;解析與採分點為教研整理,非官方評分標準。

例題精講 · 測 E 與 r

一、一條公式管全題

閉合電路歐姆定律:E = U + I r,即 U = E − r I。把 U 作縱軸、I 作橫軸作圖,得一條下降直線:
縱軸截距 = E(I=0 時的路端電壓);斜率絕對值 = r(|k| = ΔU/ΔI);橫軸截距 = I短 = E/r(U=0 時的短路電流)。
最容易錯的一處:縱座標不一定從 0 起。若 U 軸被「截斷」(比如從 1.0 V 起標),橫軸截距不再是短路電流,但截距 E 與斜率 r 仍照讀——此時求 I短 只能用 E/r 算,不能從圖上直接讀交點。

二、題1 由 U-I 圖讀 E 與 r

題目 某同學用伏安法測一節乾電池,得到 U-I 數據作出直線:直線過縱軸 U = 1.50 V,另一點為 I = 0.50 A、U = 1.10 V。求電動勢 E、內阻 r 與短路電流 I短。

規範作答

由 U = E − r I,縱軸截距即 E = 1.50 V。

斜率絕對值 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。

驗算 把 I=0.50 A 代回:U = 1.50 − 0.80×0.50 = 1.50 − 0.40 = 1.10 V ✓ 與給定點一致。另 U=0 時 I=1.875 A,若圖上 U 軸從 0 起,橫截距應為 1.875 A,可與圖像互相校驗。

採分點 寫出 U = E − rI(2分,原始公式本身給分);E=1.50 V(1分);斜率計算式與 r=0.80 Ω(2分);I短=1.88 A(1分);能說明「U 軸不從 0 起時橫截距不等於短路電流」(1分,加分點)。

易錯點 ① 把斜率當 E、截距當 r(最高發);② 斜率漏取絕對值寫成 −0.80 Ω(內阻為正);③ 直接用橫截距讀短路電流卻沒檢查 U 軸起點;④ 單位漏寫或寫成 A/V。

三、題2 兩組數據聯立求 E、r

題目 調節滑動變阻器,測得兩組數據:I₁ = 0.20 A 時 U₁ = 1.42 V;I₂ = 0.60 A 時 U₂ = 1.26 V。求 E 與 r。

規範作答 由 E = U + I r 列方程組:

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。

驗算 代回②:1.26 + 0.60×0.40 = 1.26 + 0.24 = 1.50 V ✓ 兩組自洽。圖像視角:兩點連線斜率 = (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 ✓。

採分點 寫出 E = U + Ir(1分);列出兩個方程(2分);相減消元求出 r(2分);回代求 E(1分);用另一組數據驗算(1分)。

易錯點 ① 把公式寫成 E = U − Ir(符號反);② 相減時 ΔI 取成 0.20+0.60;③ 只用一個方程就猜 E;④ 求出 r 後不回代驗算。

四、題3 系統誤差:兩種接法誰偏誰

題目 用伏安法測 E、r,有兩種接法:
甲:電壓表並聯在電源兩端(電流表在幹路,測的是通過變阻器的電流,電壓表分流未計入);
乙:電流表與電源串聯在內,電壓表測「電源 + 電流表」整體的路端電壓。
分別判斷 E測 與 r測 相對真實值偏大、偏小還是相等,並說明理由。

甲(電壓表分流型)規範作答

電壓表分流 IV = U/RV,電流表讀數 I 比干路真實電流 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。
與 U = E測 − r測 I 對照得
E測 = E·RV/(RV+r) < E(偏小);r測 = r·RV/(RV+r) < r(偏小)。
直觀理解:把電壓表看成與電源並聯的一部分,等效電源的開路電壓與內阻都被「並聯稀釋」了;RV ≫ r 時兩者偏差都很小。短路電流 I短 = E測/r測 = E/r 不變,可作為記憶錨點。

乙(電流表分壓型)規範作答

電壓表測到的是 U = E − I(r + RA)(電流表內阻被算進了電源內部)。與 U = E測 − r測I 對照得
E測 = E(準確);r測 = r + RA > r(偏大)。
直觀理解:開路時 I=0,電流表上無壓降,故截距不受影響;但斜率把 RA 也算成內阻,故 r 偏大。若已知 RA,可直接修正 r = r測 − RA。

採分點 甲:寫出 I真 = I + U/RV(2分);推出兩個表達式(各1分);判 E、r 均偏小(2分);乙:寫出 U = E − I(r+RA)(2分);判 E 準確、r 偏大(2分);說明可修正(1分)。

易錯點 ① 把兩種接法的結論記反;② 甲中忽略 RV 有限、直接說「無誤差」;③ 乙中認為 E 也偏大(截距不變是關鍵);④ 不寫推導只背結論(過程分全丟)。

五、測 E、r 實驗清單

  • □ 原始公式先行:E = U + I r ⇔ U = E − r I;
  • □ U-I 圖:縱截距 = E、斜率絕對值 = r、橫截距 = E/r;先檢查 U 軸是否從 0 起;
  • □ 兩組數據聯立:相減消 E 求 r,再回代求 E,並用另一組驗算;
  • □ 甲接法(電壓表分流):E、r 均偏小,E/r 不變;RV 越大誤差越小;
  • □ 乙接法(電流表分壓):E 準確、r 偏大,可用 r = r測 − RA 修正;
  • □ 實驗操作:變阻器從大阻值起調,讀數快、避免電池極化與發熱導致 E、r 漂移;
  • □ 作圖用擬合直線,別把各點折線相連;明顯偏離的點標為異常剔除並說明;
  • □ 結果帶單位(V、Ω、A),結論句寫全。

這一實驗看著是測兩個數,其實所有題都從 U = E − rI 這一行推出來。截距、斜率、誤差方向各歸其位,就不會記混了。

編寫說明與學科依據

本文為備考教研體例稿:題目系按課程標準與聯招常見考點範圍編寫的仿真練習題,非真題原文;文中案例為示意內容,非真實記錄;文末欄目為學科依據說明,非逐條引文。涉及報考、錄取、證件、居留、資助等事項,一律以當年官方文件與學校正式通知為準。

學科依據:

  • 人教版高中物理必修第三冊:閉合電路歐姆定律、測電源電動勢與內阻實驗及數據處理
  • 《普通高等學校聯合招收華僑港澳臺學生考試大綱(物理科)》:電學實驗考查範圍(僅作命題範圍參照,本文題目未與真題逐題比對)
  • 編寫說明:題目條件、數據與解析為按常見考點編寫的教研整理,非官方試題與官方評分標準

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聯招物理·實驗題(四):測電源電動勢與內阻的圖像法
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