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实验十 测量电源的电动势和内阻
1.测量电源的电动势和内阻。
2.掌握用图像法求电动势和内阻。
闭合电路欧姆定律,实验原理图如图所示。
电池(被测电源)、电压表、电流表、滑动变阻器、开关、导线、坐标纸、铅笔等。
1.电流表用0.6 A量程,电压表用3 V量程,按实验原理图连接好电路。
2.把滑动变阻器的滑片移动到使接入电路的阻值最大的一端。
3.闭合开关,调节滑动变阻器,使电流表有明显示数并记录一组数据(I ,U )。
1 1
用同样方法测量几组I、U值,填入表格中。
第1组 第2组 第3组 第4组 第5组 第6组
I/A
U/V
4.断开开关,拆除电路,整理好器材。
1.公式法
取上表六组对应的U、I数据,数据满足关系式U =E-I r、U =E-I r、U =E
1 1 2 2 3-I r…,让第1式和第4式联立方程,第2式和第5式联立方程,第3式和第6式
3
联立方程,这样解得三组E、r,分别取平均值作为电池的电动势E和内阻r的大小
2.图像法
以路端电压U为纵坐标、干路电流I为横坐标建立UI坐标系,在坐标平面内
描出各组(I,U)值所对应的点,然后作一条直线,使其通过尽可能多的点,不在直
线上的点大致均匀分布在直线两侧,如图所示。则直线与纵轴交点的纵坐标即是
电池电动势的大小(一次函数的纵轴截距),与横轴交点的横坐标为短路电流I =,
短
直线的斜率的绝对值即为电池的内阻r,即r=。
1.偶然误差
(1)由读数不准引起误差。
(2)用图像法求E和r时,由于作图不准确造成的误差。
(3)测量过程中通电时间过长或电流过大,都会引起E、r变化。
2.系统误差
由于电压表和电流表内阻影响而导致的误差。
(1)如图甲所示,在理论上E=U+(I +I )r,其中电压表示数U是路端电压。而
V A
实验中忽略了通过电压表的电流I 而形成误差,而且电压表示数越大,I 越大。
V V
即:U =U
真 测
I =I +I =I +
真 测 V 测
结论:
当U =0时,I =I ,用U 、I 画出乙图中右侧的修正图,由图可以看出:E
测 真 测 真 真>E ,r >r 。
真 测 真 测
从电路的角度看,电压表应看成内电路的一部分,故实际测出的是电池和电压
表这一整体的等效内阻和电动势。因为电压表和电池并联,所以r 小于电池内阻
测
r ;因为外电阻R断开时,a、b两点间电压U 等于电动势E ,此时电源与电压表
真 ab 测
构成回路,所以U r 。
真 测 真
从电路的角度看,r =r +R 。由于通常情况下电池的内阻较小,所以这时r
测 真 A
的误差非常大。
测
1.为了使电池的路端电压变化明显,应选内阻稍大些的电池(选用已使用过一
段时间的干电池)。
2.在实验中不要将I调得过大,每次读完U和I的数据后应立即断开电源,以
免干电池在大电流放电时极化现象严重,使得E和r明显变化。
3.测出不少于6组I和U的数据,且变化范围要大些,用方程组求解时,类似
于逐差法,要将测出的UI数据中,第1和第4组为一组,第2和第5组为一组,第
3和第6组为一组,分别解出E、r值再求平均值。
4.在画UI图线时,要使尽可能多的点落在这条直线上,不在直线上的点应对
称分布在直线两侧,可舍弃个别离直线较远的点,以减小偶然误差。
5.干电池内阻较小时,U的变化较小,此时,坐标图中数据点将呈现如图甲所示的状况,使下部大面积空间得不到利用。为此,可使纵坐标不从零开始而是根据
测得的数据从某一恰当值开始(横坐标I必须从零开始),如图乙所示,并且把纵坐
标的比例放大,可使结果的误差减小。此时图线与横轴交点不表示短路电流,而图
线与纵轴交点的纵坐标仍为电动势。要在直线上任取两个相距较远的点,用r=,
计算出电池的内阻r。
以上测量方法一般称为伏安法,测电源的电动势和内阻还有以下几种方法:
1.安阻法
(1)实验原理
用一个电流表和电阻箱测量,电路如图所示,测量原理为:E=I (R +r),E=
1 1
I (R +r),由此可求出E和r,或用图像法处理数据。此种方法使测得的电动势无偏
2 2
差,但内阻偏大。若已知电流表 的阻值可消除测内阻的系统误差。
(2)图像法处理数据
2.伏阻法
(1)实验原理
用一个电压表和电阻箱测量,电路如图所示,测量原理为:E=U +r,E=U +
1 2r,由此可求出r和E,或用图像法处理数据。此种方法测得的电动势和内阻均偏小。
(2)图像法处理数据
3.粗测法
用一只电压表粗测电动势,直接将电压表接在电源两端,所测值近似认为是电
源电动势,此时U=≈E,需满足R ≫r。
V
4.双伏法
用两个电压表可测得电源的电动势,电路如图所示。测量方法为:断开S,测得
V 、V 的示数分别为U 、U ,此时,E=U +U +r,R 为V 的内阻;再闭合S,V 的
1 2 1 2 1 2 V 1 1
示数为U ′,此时E=U ′+r,解方程组可求得E和r。
1 1
考点1 实验原理与器材选择
例1 (2020·河北衡水中学3月联合教学质量检测)一般的话筒用的是一块方
形的电池(层叠电池),如图甲所示,标称电动势为9 V。某同学想要测量该电池实
际的电动势和内阻,实验室提供了以下器材:
A.待测方形电池
B.电压表(量程0~3 V,内阻约为4 kΩ)
C.电流表(量程0~0.6 A,内阻为1.0 Ω)
D.电流表(量程0~3 A,内阻为1.0 Ω)E.电阻箱(阻值范围0~999.9 Ω)
F.电阻箱(阻值范围0~9999.9 Ω)
G.滑动变阻器(阻值范围0~20 Ω)
H.滑动变阻器(阻值范围0~20 kΩ)
I.开关、导线若干
(1)该同学根据现有的实验器材,设计了如图乙所示的电路图。根据如图乙所
示电路图和如图丙所示图像,为完成该实验,电流表应选________,电阻箱应选
________,滑动变阻器应选________。(均填写器材前字母标号)
(2)实验需要把电压表量程扩大为0~9 V。该同学按图乙连接好实验器材,检
查电路无误后,将R 的滑片移到最左端,将电阻箱R 调为零,断开S ,闭合S ,将
1 2 3 1
S 接a,适当移动R 的滑片,使电压表示数为2.40 V;保持R 接入电路中的阻值不
2 1 1
变,改变电阻箱R 的阻值,当电压表示数为________ V时,完成扩大量程,断开
2
S 。
1
(3)保持电阻箱R 阻值不变,开关S 接b,闭合S 、S ,从右到左移动R 的滑片,
2 2 3 1 1
测出多组U、I,并作出UI图线如图丙所示,可得该电池的电动势为________ V,
内阻为________ Ω。
尝试解答 (1)D F G (2)0.80 (3)8.94 2.0。
(1)由图丙可知,所测最大电流约为2 A,则电流表应选择D;电源电动势约为
9 V,需要把电压表改装成9 V的电压表,串联电阻分压为6 V,是电压表量程的2
倍,由串联电路特点可知,分压电阻阻值为电压表内阻的2倍,约为8 kΩ,故电阻
箱应选择F;由于要测量该电池实际的电动势和内阻,为方便实验操作,滑动变阻
器应选择G。(2)把量程为3 V的电压表量程扩大为9 V,分压电阻分压为6 V,分压电阻所
分电压是电压表两端电压的2倍,由题意可知,实验时保持R 位置不变,电压表所
1
在支路电压为2.40 V不变,若使分压电阻两端电压为电压表两端电压的2倍,应
改变R 阻值,使电压表示数为0.80 V,此时电阻箱分压1.60 V,完成电压表扩大量
2
程。
(3)分压电阻箱两端电压是电压表两端电压的2倍,电压表示数为U,则路端电
压为3U,在闭合电路中,电源电动势E=3U+I(r+R ),整理可得U=E-I,由图
A
丙可知,图像纵轴截距b=E=2.98 V,则电源电动势E=8.94 V;图像斜率的绝对
值k===1,又R =1.0 Ω,则电源内阻r=2.0 Ω。
A
[变式1] (2020·河北高三4月联考)某小组同学在测一节电池的电动势和内
阻时所用器材如下:
A.某特殊电池:电动势约为3 V,内阻为几欧;
B.电压表V:量程0~3 V,内阻为几千欧;
C.电流表A:量程0~100 mA,内阻为3.6 Ω;
D.标准电阻R :0.4 Ω;
0
E.滑动变阻器R :0~20 Ω;
1
F.滑动变阻器R :0~2 kΩ;
2
G.开关、导线若干,
(1)该小组三名同学各设计了一个实验电路,其中可行的是________。
(2)实验器材中有两个滑动变阻器,该实验应选用的是________(选填“R ”或
1
“R ”)。
2
(3)选择(1)中正确的电路后,该小组同学闭合开关,调节滑动变阻器,多次测量,得出多组电压表示数U和电流表示数I,通过描点画出UI图像如图丁所示,则该
特殊电池的电动势E= V、内阻r=________ Ω。(结果保留三位有效数
字)
答案 (1)乙 (2)R
1
(3)3.05(3.03~3.07均可) 0.955(0.936~0.973均可)
解析 (1)由题意可知,电流表量程太小,应把电流表与定值电阻并联扩大其
量程,电压表测路端电压,电流表测电路电流,滑动变阻器采用限流接法,应选择
图乙所示电路图。
(2)为方便实验操作,滑动变阻器应选择R 。
1
(3)电流表内阻为3.6 Ω,定值电阻阻值为0.4 Ω,流过定值电阻的电流为电流表
电流的9倍,电流表量程扩大了10倍,由图示电源UI图像可知,电源电动势E=
3.05 V,内阻r== Ω≈0.955 Ω。
考点2 数据处理与误差分析
例2 (2020·江苏省宿迁市5月联考)如图所示为某同学测量电源的电动势和
内阻的电路图。其中包括电源E,开关S 和S ,电阻箱R,电流表A,保护电阻R 。
1 2 x
该同学进行了如下实验步骤:
(1)将电阻箱的阻值调到合适的数值,闭合S 、S ,读出电流表示数为I,电阻箱
1 2
读数为9.5 Ω;断开S ,调节电阻箱的阻值,使电流表示数仍为I,此时电阻箱读数
2
为4.5 Ω。则保护电阻的阻值R =________ Ω。(结果保留两位有效数字)
x
(2) S 断开,S 闭合,调节R,得到多组R和I的数值,并画出R图像,如图所示,
2 1
由图像可得,电源电动势E=________ V,内阻r=________ Ω。(结果保留两位有
效数字)(3)本实验中,内阻的测量值________(填“大于”或“小于”)真实值,原因是
________________。
尝试解答 (1)5.0 (2)3.0 2.2 (3)大于 电流表也有内阻。
(1)由题意可知,闭合S 和S 时只有电阻箱接入电路,闭合S 、断开S 时,电阻
1 2 1 2
箱与R串联接入电路,两种情况下电路电流相等,由闭合电路欧姆定律可知,两种
情况下电路总电阻相等,所以保护电阻的阻值R =9.5 Ω-4.5 Ω=5.0 Ω。
x
(2)根据闭合电路的欧姆定律可得,E=I(R+R +r),整理可得=R+,可见R图
x
线的斜率k=,图线的纵截距b=,结合图像中的数据可得E=3.0 V,r=2.2 Ω。
(3)本实验中,内阻的测量值大于真实值,原因是电流表也有内阻,测量值为电
源内阻和电流表内阻之和。
[变式2] (2021·八省联考河北卷)在测量电源电动势和内阻的实验中,实验室
提供了如下器材和参考电路:
电压表V (量程3 V,内阻约6 kΩ)
1
电压表V (量程1 V,内阻约6 kΩ)
2
电流表A (量程0.6 A,内阻约0.1 Ω)
1
电流表A (量程2 mA,内阻约1 Ω)
2
滑动变阻器R (最大阻值3 kΩ)
1
滑动变阻器R (最大阻值10 Ω)
2
定值电阻R (阻值1 Ω)
3
开关,导线若干
(1)甲同学想要测量马铃薯电池的电动势(约1.0 V)和内阻(约500 Ω)。选用合适
器材后,应选择最优电路________(填写参考电路对应的字母)进行测量。(2)乙同学想要测量一节新干电池的电动势和内阻。选用合适器材后,应选择
最优电路________(填写参考电路对应的字母)进行测量。
(3)乙同学将测得的数据在坐标纸上描点如图。请画出UI图像,并求出电动势
E为________ V,内阻r为________ Ω(小数点后保留两位)。
答案 (1)A (2)C (3)图见解析 1.48 0.10
解析 (1)马铃薯电池的内阻约为500 Ω,为了使电表示数变化范围较大,滑动
变阻器应选R ,则电路中的最小电流约为≈0.29 mA,最大电流约为=2 mA,则电
1
流表应选A ,而电压表应选V ;因为<,为了减小误差,电流表相对于电源应内接;
2 2
为了使电路简单,不需要给电源串联R ,故最优电路是A。
3
(2)新的干电池内阻较小,为了使电表示数变化范围大,滑动变阻器应选R ,则
2
电路中的电流最小值约为=0.15 A,则电流表应选A ,而电压表应选V ;因为>,
1 1
为了减小误差,电流表相对于电源应外接;为了减小电源内阻的测量误差,所以需
要给电池串联一个定值电阻R ,所以最优电路是C。
3
(3)作出UI图像如图。根据闭合电路欧姆定律E=U+Ir变形得U=E-Ir,则
图线纵截距即为电源电动势,则E=1.48 V。根据图像斜率可知r=R +r =|| Ω=
3 0
1.10 Ω,则电源内阻为r =r-R =1.10 Ω-1 Ω=0.10 Ω。
0 3
考点3 实验创新与改进例3 (2020·贵州省贵阳市3月调研)某同学要用电阻箱和电压表测量某水果
电池组的电动势和内阻,考虑到水果电池组的内阻较大,为了提高实验的精确度,
需要测量电压表的内阻。实验器材中恰好有一块零刻度在中央的双向电压表,该
同学便充分利用这块电压表,设计了如图所示的实验电路,既能实现对该电压表
的内阻的测量,又能利用该表完成水果电池组电动势和内阻的测量,他用到的实
验器材有:
待测水果电池组(电动势约4 V,内阻约50 Ω)、双向电压表(量程为2 V,内阻
约为2 kΩ)、电阻箱(0~9999 Ω)、滑动变阻器(0~200 Ω)、一个单刀双掷开关及若
干导线。
(1)该同学按如图所示电路图连线后,首先测出了电压表的内阻。请完善测量
电压表内阻的实验步骤:
①将R 的滑动触头滑至最左端,将S拨向1位置,将电阻箱阻值调为0;
1
②调节R 的滑动触头,使电压表示数达到满偏;
1
③保持__________________不变,调节R ,使电压表的示数达到________;
2
④读出电阻箱的阻值,记为R ,则电压表的内阻R =________。
2 V
(2)若测得电压表内阻为 2 kΩ,可分析此测量值应________(选填“大于”
“等于”或“小于”)真实值。
(3)接下来测量水果电池组的电动势和内阻,实验步骤如下:
①将开关 S 拨至________(选填“1”或“2”)位置,将 R 的滑动触头移到最
1
________端,不再移动;
②调节电阻箱的阻值,使电压表的示数达到一个合适值,记录下电压表的示数
和电阻箱的阻值;
③重复步骤②,记录多组电压表的示数及对应的电阻箱的阻值。
(4)若将电阻箱与电压表并联后的阻值记录为R,作出图像,则可消除系统误差
如图所示,其中纵截距为b,斜率为k,则电动势的表达式为________,内阻的表达式为________。
尝试解答 (1)R 滑动触头位置 半偏(或最大值的一半) R (2)大于 (3)2
1 2
左 (4)E= r=。
(1)由题图可知,当S拨向1位置,滑动变阻器R 在电路中为分压式接法,根据
1
半偏法测电表内阻的原理:先调节R 使电压表满偏;然后保持R 滑动触头位置不
1 1
变,R 与电压表串联,调节R 使电压表的示数达到半偏(或最大值的一半),则电压
2 2
表的内阻R 与电阻箱示数R 相同。
V 2
(2)由闭合电路欧姆定律可知,调节R 使电压表达到半偏的过程中,总电阻变
2
大,干路电流变小,由E=I·r+U 知U 变大,由电路知U =U +U ,滑动变
外 外 外 并 右
阻器的滑动触头右侧分得的电压U =I·R 变小,则U 变大,电压表半偏时,R
右 右 并 2
上分得的电压就会大于电压表上分得的电压,那么R 的阻值就会大于电压表的阻
2
值,即电压表内阻的测量值大于真实值。
(3)根据伏阻法测电池的电动势和内阻的原理,应将S拨到2位置,同时将R
1
的滑动触头移到最左端,不再移动,此时电压表测R 两端电压;然后调节R 获得
2 2
多组R 和电压表示数的数据,求电源的电动势和内阻。
2
(4)由闭合电路欧姆定律得:E=U+·r,变形得=·+,则=k,=b,解得E=,r
=。
[变式3] (2020·山东东营一中下学期开学考试)利用图甲电路测量某电池的
内阻,其中AB为一段粗细均匀的铅笔芯,笔芯上套有一金属滑环P(宽度和电阻不
计,与笔芯良好接触并可自由移动)。实验器材还有:标准电池(电动势为E ,内阻
0
不计),电阻箱(最大阻值为99.99 Ω),灵敏电流计G(量程为±600 μA),待测电池(电
动势E 小于E ,内阻r 未知),开关3个,刻度尺等。
x 0 x主要实验步骤如下:
a.测量出铅笔芯A、B两端点间的距离L :
0
b.将电阻箱调至某一阻值R,闭合开关S 、S 、S ,移动滑环P使电流计G示数
1 2 3
为零,测量出此时的AP长度L;
c.改变电阻箱的阻值R,重复步骤b,记录下多组R及对应的L值。
回答以下问题:
(1)步骤 b 中,移动滑环 P 使 G 的示数为零。此时电阻箱两端电压 U =
R
________(用L、L 、E 表示)。
0 0
(2)利用记录的多组 R、L数据,作出图像如图乙,则随变化的关系式为=
__________________(用E 、E 、r 、L 、R表示),根据图像可得待测电池的内阻r =
0 x x 0 x
________ Ω(保留两位有效数字)。
(3)在步骤b的操作过程中,若无论怎样移动滑环P,也无法使G的示数为零,
经检查发现,有一个开关未闭合,你认为未闭合的开关是________(填“S ”“S ”或
1 2
“S ”)。
3
(4)本实验中若标准电池的内阻不可忽略,则待测电池内阻的测量结果将________(填“偏大”“不变”或“偏小”)。
答案 (1)E
0
(2)·+ 1.5(或1.4或1.6均可)
(3)S (4)不变
1
解析 (1)由于电流计示数为零,则标准电池与铅笔芯、待测电池与电阻箱分
别组成两个相对独立的电路,且U =U 。对标准电池与铅笔芯组成的回路,由闭
R AP
合电路欧姆定律可知U =U =E 。
R AP 0
(2)对待测电池与电阻箱组成的回路,由闭合电路欧姆定律可知 U =R,则有
R
E =R,变形可得=·+;则图像的纵截距为=8,斜率为=,解得r =1.5 Ω。
0 x
(3)如果S 断开,则待测电池接在A、P之间,电流计G示数有可能为零;如果
2
S 没有闭合,则电流计示数一定为零;只有S 没有闭合时,待测电池与R、G和铅
3 1
笔芯形成回路,电流计G示数无法为零。
(4)若标准电池的内阻不可忽略,设为r ,通过铅笔芯的电流恒定,设为I ,对铅
0 0
笔芯与标准电池组成的回路,有U =(E -I r ),又U =U ,U =R,联立可得=·
AP 0 0 0 AP R R
+,与(2)中的表达式对比,可知待测电池内阻的测量结果将不变。
1.(2020·山东高考)实验方案对实验测量的精度有直接的影响,某学习小组对
“测量电源的电动势和内阻”的实验方案进行了探究。实验室提供的器材有:
干电池一节(电动势约1.5 V,内阻小于1 Ω);
电压表V(量程3 V,内阻约3 kΩ);
电流表A(量程0.6 A,内阻约1 Ω);
滑动变阻器R(最大阻值为20 Ω);
定值电阻R (阻值2 Ω);
1
定值电阻R (阻值5 Ω);
2
开关一个,导线若干。
(1)该小组按照图甲所示的电路进行实验,通过调节滑动变阻器阻值使电流表示数逐渐接近满偏,记录此过程中电压表和电流表的示数,利用实验数据在UI坐
标纸上描点,如图乙所示,结果发现电压表示数的变化范围比较小,出现该现象的
主要原因是________________。(单选,填正确答案标号)
A.电压表分流 B.干电池内阻较小
C.滑动变阻器最大阻值较小 D.电流表内阻较小
(2)针对电压表示数的变化范围比较小的问题,该小组利用实验室提供的器材
改进了实验方案,重新测量得到的数据如下表所示。
序号 1 2 3 4 5 6 7
I/A 0.08 0.14 0.20 0.26 0.32 0.36 0.40
U/V 1.35 1.20 1.05 0.88 0.73 0.71 0.52
请根据实验数据,回答以下问题:
①图丙的坐标纸上已标出后 3组数据对应的坐标点,请在坐标纸上标出前 4
组数据对应的坐标点并画出UI图像。
②根据实验数据可知,所选的定值电阻为________(填“R ”或“R ”)。
1 2
③用笔画线代替导线,请在图丁上按照改进后的方案,将实物图连接成完整电
路。答案 (1)B
(2)①图见解析图1 ②R ③图见解析图2
1
解析 (1)电压表示数的变化范围比较小,原因是外电阻比电源内阻大得多,
即干电池内阻较小,或滑动变阻器最大阻值较大,而与电压表分流和电流表内阻
较小无关,故选B。
(2)①根据数据描点并画出UI图像如图1所示。
②因干电池内阻较小导致电压表示数变化范围较小,故改进后的方案是将干
电池与定值电阻串联,作为等效内阻较大的等效电源。由图像可知r+R = Ω=
定
2.6 Ω,干电池内阻小于1 Ω,则定值电阻阻值大于1.6 Ω,且小于2.6 Ω,可知所选
定值电阻为R 。
1
③根据改进后的方案,定值电阻与干电池串联构成等效电源,其等效内阻与电
流表内阻相近,远小于电压表内阻,故电流表应外接。实物电路图如图2所示。
2.(2020·北京高考)用图1所示的甲、乙两种方法测量某电源的电动势和内电
阻(约为1 Ω)。其中R为电阻箱,电流表的内电阻约为0.1 Ω,电压表的内电阻约为3 kΩ。
(1)利用图1中甲图实验电路测电源的电动势E和内电阻r,所测量的实际是图
2中虚线框所示“等效电源”的电动势E′和内电阻r′。若电流表内电阻用R
A
表示,请你用E、r和R 表示出E′、r′,并简要说明理由。
A
(2)某同学利用图像分析甲、乙两种方法中由电表内电阻引起的实验误差。在
图3中,实线是根据实验数据描点作图得到的UI图像;虚线是该电源的路端电压
U随电流I变化的UI图像(没有电表内电阻影响的理想情况)。
在图3中,对应图甲电路分析的UI图像是:________;对应图乙电路分析的
UI图像是:________。
(3)综合上述分析,为了减小由电表内电阻引起的实验误差,本实验应选择图1
中的________(填“甲”或“乙”)。
答案 (1)E′=E r′=r+R 理由见解析
A
(2)C A (3)乙
解析 (1)电动势是电源本身具有的属性,电流表不具有产生电动势的本领,
所以“等效电源”的电动势为E′=E;电流表的内电阻和电源的内电阻串联作为
“等效电源”的内电阻,则r′=r+R 。
A
(2)对图甲电路,考虑电表内阻时,根据闭合电路欧姆定律得E=U +Ir =U
路 内
+I(r+R ),变形得U=-(r+R )I+E;直接通过实验获得的数据,可得U=-rI+
A A
E。由上述表达式可知,两种情况图像中实线与虚线的纵轴截距均为电源电动势E,即实线与虚线交纵轴于一点;虚线的斜率绝对值为r,实线的斜率绝对值为(r+
R ),所以对应图甲电路分析的UI图像是C。对图乙电路,考虑电表内阻时(即虚线
A
对应的真实情况),根据闭合电路欧姆定律得E=U +Ir =U+r=U+Ir+U,变
路 内
形得U=-I+E;直接通过实验获得的数据,可得U=-rI+E。由上述表达式可知,
虚线的斜率绝对值为r,实线的斜率绝对值为r