热学实验(精典)
实验设计的基本思路
明晰目的→选择方案→选定器材→拟定步骤→
数据处理→误差剖析
（一）热学实验中所用到的基本知识
热学实验中，内阻的检测（包括变型如水表电阻的检测）、测电源的电动势与内内阻是考查频度较高的实验。它们所用到的原理公式为：
RU
,EUIr。I
可见，对于电路中电压U及电压I的检测是实验的关键所在，但这两个量的直接检测
和间接检测的方式却多种多样，在此常常也是中考试卷的切实点之处。
1．电路设计原则：正确地选择仪器和设计电路的问题，解决时应把握和遵守一些基本的原
则，即“安全性”、“方便性”、“精确性”原则，兼具“误差小”、“仪器少”、“耗电
少”等各方面诱因综合考虑，灵活运用。
（1）正确性：实验原理所根据的原理应该符合数学学的基本原理。
（2）安全性：实验方案的施行要安全可靠，施行过程中不应对仪器及人身导致害处。要注
意到各类水表均有阻值、电阻均有最大容许电压和最大功率，电源也有最大
容许电压，不能烧毁仪器。
（3）便捷性：实验应该以便操作，以便读数，以便进行数据处理。
（4）精确性：在实验方案、仪器、仪器阻值的选择上，应使实验偏差尽可能的小。
2．热学实验仪器的选择：
（1）选择水表：首先保证流过电压表的电压和加在电流表上的电流均不超过使用阻值，之后合理选择阻值，勿必使表针有较大偏转（通常要小于满偏度的1/3），以减低测读偏差。
（2）选择滑动变阻器：注意流过滑动变阻器的电压不超过它的额定值，对大电阻的变阻器，倘若是滑动头稍有联通，使电压、电压有很大变化的，不宜采用。
（3）应按照实验的基本要求来选择仪器，对于这些情况，只有熟悉实验原理，能够做出恰
当的选择。其实，最优选择的原则是：方式偏差尽可能小；间接测定值尽可能有较多的有效
数字位数，直接测定值的检测使偏差尽可能小，且不超过仪表的阻值；实现较大范围的灵敏调节；在大功率装置（电路）中尽可能节约能量；在小功率电路里，在不超过用家电额定值
的前提下，适当提升电压、电压值，以提升测试的确切度。
3．检测电路的选择
1.电压表接法
（1）原理：部份电路的欧姆定理。
（2）电压表外接法，如图所示。适用于测小电阻阻值，即Rx远大于Rv时。
RX
偏差剖析：
＝U
VRVRX
R真
＝
R测I
ARVRXIAIV
系统偏差的缘由：电流表V分流。
（3）电压表内接法，如图所示。适用于测大电阻阻值，即Rx远小于RA时。
RX
偏差剖析：
＝U
RXRA
＝
R测I
AR真I
系统偏差的缘由：电压表A分压。
（4）内、外接法的选用原则
RX
ba
方式一：算临界内阻：R0RARV
若Rx>R0，待测内阻为大内阻，用内接法
若Rx
即大内阻，电压表内接；小阻值，电压表外接。
方式二：在RV、RA均不知的情况下，可采用试触法。如图所示，分别将a端与b、c接触，假如前后两次电压表示数比电流表示数变化显著，说明电流表分流作用大，应采用内接法；假如前后两次电流表示数比电压表示数变化显著，说明电压表分压作用大，应采用外接法。
bc
2滑动变阻器的分压、限流接法：
为了改变检测电路（待测内阻）两端的电流（或通过检测电路的电压），常使滑动变阻
器与电源联接作为控制电路，滑动变阻器在电路中主要有两种联接形式：限流式，分压式。
如图（甲）为滑动变阻器的限流式接法，RX为待测内阻。它的接线方法是电源、滑动
变阻器与待测内阻两者串联。
ERX
~E(RX是对待测内阻供电电流的最大调节范围是：
RX
待测内阻，R是滑动变阻器的总内阻，不计电源电阻)。
如图（乙）是滑动变阻器的分压式接法。接线方法是电源与滑动变阻器组成闭合电路，而被测电路与滑动变阻器的一部份内阻并联，该接法对待测内阻供电电流的调节范围是：
0~E（不计电源电阻时）。
甲乙
选定接法的原则：
①要求负载上电流或电压变化范围大，且从零开始连续可调，须用分压式接法。
②负载内阻Rx远小于滑动变阻器总内阻R时，须用分压式接法，此时若采用限流式接
法对电路基本起不到调节作用。
③采用限流电路时，电路中的最小电压（电流）仍超过电压表的阻值或超过用家电的
额定电压（电流）时，应采用变阻器的分压式接法。
④负载内阻的电阻Rx大于滑动变阻器的总内阻R或相差不大，但是电流表、电流表示
数变化不要求从零开始起调，可用限流式接法。
⑤两种电路均可使用时应优先用限流式接法，由于限流电路结构简单，总功率较小。
例1、用伏安法检测一个定值内阻的器材尺寸如下：待测内阻R（约100Ω）;直流电压表
（阻值0~10mA、内阻50Ω）;直流电流表（阻值0~3V、内阻5kΩ）;直流电源（输出电流4V、内阻不计）；滑动变阻器（0~15Ω、允许最大电压1A）；开关1个，导线若干.按照器材的尺寸和实验要求画出实验电路图.
【审题】本题只须要判定检测电路、控制电路的接法，各仪器的阻值和内阻都早已给出，只需估算两种接法哪种合适。
【解析】用伏安法检测内阻有两种联接形式，即电压表的内接法和外接法，因为x＜
RRARv，故电压表应采用外接法.在控制电路中，若采用变阻器的限流接法，当滑动变阻
器电阻调至最大，通过负载的电压最小，Imin=
=24mARRARx
＞10mA,此时电压仍超过电压表的阻值，故滑动变阻器必须采用分压接法.如图10-5所示.
【总结】任一种控制电路必须能保证电路的安全，这是热学实验的首要原则，限流接法其实简约便捷，但必需要才能控制电路不超过电压的额定值，同时，还能保证可获取一定的电
压、电流范围，该题中，尽管控制电压最小值不超过电压表的阻值，因滑动变阻器全电阻相
对电路其它内阻过小，电压、电压变化范围太小，仍不能用限流接法。
4．实物图的联接：实物图连线应把握基本技巧和注意事项。
⑴注意事项：
①连接水表应注意阻值选用正确，正、负接线柱不要接错。
②各导线都应接在接线柱上，不应在导线中间出现分叉。
③对于滑动变阻器的联接，要认清楚接入电路的是哪一部份内阻，在接线时要非常注意不能
将线接到滑动触头上。
⑵基本方式：
①画出实验电路图。
②分析各器件联接形式，明晰电压表与电流表的阻值。
③画线联接各器件。(用钢笔画线，便于改错)连线方法应是单线联接，连线次序应先画串联
电路，再画并联电路。
通常先从电源负极开始，到电键，再到滑动变阻器等。按次序以单线联接方法将支路中
要串联的器件依次串联上去；之后联接大道即将并联的器件再并联到电路中去。联接完毕，
应进行检测，检测电路也应根据连线的方式和次序。
（二）定值内阻的检测方式
1．欧姆表检测：最直接测内阻的仪表。并且通常用欧姆表检测只能进行粗测，为下一步的
检测提供一个参考根据。用欧姆表可以检测白炽灯泡的冷内阻。
2．取代法：取代法的检测思路是等效的思想，可以是借助电压等效、也可以是借助电流等
效。取代法检测内阻精度高，不须要估算，技巧简单，但必须有可调的标准内阻（通常给定
的仪器中要有内阻箱）。
例2、在某校举办的科技活动中，为了要测出一个未知内阻的电阻Rx，现有如下器材：读数
不准的电压表A、定值内阻R0、电阻箱R1、滑动变阻器R2、单刀单掷开关S1、单刀双掷开关
S2、电源和导线。
⑴画出实验电路图，并在图上标出你所选用器材的代码。
⑵写出主要的实验操作步骤。
【解析】⑴实验电路如下图所示。
⑵①将S2与Rx相接，记下电压表表针所指位置。②将S2与R1相接，保持R2不变，调节R1
的电阻，使电压表的表针指在原位置上，记下R1的值，则Rx＝R1。
3．伏安法：伏安法的检测根据是欧姆定理（包括部份电路欧姆定理和全电路欧姆定理），
须要的基本检测仪器是电流表和电压表，当只有一个水表（或给定的水表不能满足要求时），
可以用标准内阻（内阻箱或一个定值内阻）取代；当水表的电阻已知时，按照欧姆定理I=U/R电流表同时可以当电压表使用，同样电压表也可以当电流表用。
4．伏安法拓展：个别问题中，因实验器材不具备（缺电压表或电流表），或因实验条件限制，
或因实验精度不准许而不能用“伏安法”。这时我们就得根据问题的具体条件和要求重新选
择实验原理，用“伏安法”的取代方式——“比较法”来设计实验方案。
⑴利用已知电阻的电流表:借助“伏伏”法测定值内阻的电阻
例3、用以下器材检测一待测内阻Rx的电阻（900～1000Ω）：
电源E，具有一定电阻，电动势约为；
电流表V1，阻值为，电阻r1＝750Ω；
电流表V2，阻值为5V，电阻r2＝2500Ω；
滑动变阻器R，最大电阻约为100Ω；
单刀单掷开关K，导线若干。
检测中要求电流表的读数不大于其阻值的1/3，试画出检测内阻Rx的一种实验电路原理图。
【解析】如图所示
⑵利用已知电阻的电压表：借助“安安”法测定值内阻的电阻
例4用以下器材检测一待测内阻的电阻。器材（代号）与尺寸如下：
电压表A1（阻值250mA,电阻r1为5Ω)；标准电压表A2（阻值300mA,电阻r2约为5Ω）；
待测内阻R1（电阻约为100Ω）；滑动变阻器R2（最大电阻10Ω）；
电源E（电动势约为10V，电阻r约为1Ω）；单刀单掷开关S，导线若干。
⑴要求方式简捷，并能测多组数据，画出实验电路原理图，并注明每位器材的代号.
⑵需要直接检测的数学量是,用测的量表示待测内阻R1的估算公式是R1＝。【解析】⑴实验电路图如图所示。
⑵两电压表A1、A2的读数为I1、I2和电压表A1的电阻为r1，待测内阻R1的电阻的估算公式
是：R1
I1
r1I2I1
⑶电压表、电流表混和用
例5有一阻值Rx，其电阻在100～200Ω之间，额定功率为。要用伏安法较确切地检测它的
电阻，实验器材有：
安培表A1，阻值为50mA，RA1=100Ω
安培表A2，阻值为1A，RA2=20Ω
电流表V1，阻值为5V，RV1=10kΩ
电流表V2，阻值为15V，RV2=30kΩ
变阻器R1，变阻范围0～20Ω，2A
变阻器R2，变阻范围0～1000Ω，1A
9V电源，电键，导线。
⑴实验中应选用的电压表、电压表、变阻器分别是：。
⑵画出所用实验电路图。
【解析】⑴允许通过内阻中电流可能的最大值由：PI2R得，I250mA。由于内阻可能为200Ω，所以通过被测内阻的电压的最大值可能是35mA，应用电压表的示数
U2,所以来控制通过内阻的电压，因而，电压表应选A。又由于P
U15VU27.1V。由于内阻可能为100Ω，所以容许加在内阻两端的电流的最大值
可能是5V，应用电流表的示数来控制加在内阻两端的电流，因而电流表应选V。由于R＜R,
11
2且2A＞35mA,所以应选变阻器R。由于R＜R所以滑动变阻器联接方法应选用分压电路。
11x
由于Rx
⑵实验所用电路如图所示
（三）水表电阻的检测方式
1．互测法：
⑴电流表、电压表各一只，可以检测它们的电阻：
VA
⑵两只同种水表，若晓得一只的电阻，就可以测另一只的电阻：
A2
V1V2
A1
⑶两只同种水表电阻都未知，则须要一只内阻箱能够测定水表的电阻：
RV1
A1A2V22．取代法：
22
3、半值法（半偏法）。
半值法是前面比列法的一个特
例，测电压表电阻和测电流表电阻都
可以用半值法，电路图如图10-15所
示。
甲图实验时先断掉开关S’，闭
合S，调整滑动变阻器01（限流法连
R图10-15
接），使电压表A满度（即表针指满刻度处）；再闭合S，调整内阻箱1，使电压表A的
’R
表针正好指到半满度处，读出此时内阻箱的电阻，则电压表A的内阻A。（检测结果偏
Rr=R
小）
乙图实验时先闭合开关S’及S，调整滑动变阻器R02（分压法联接），使电流表V满度；再断掉S’，调整内阻箱R2，使电流表V的表针正好指到半满度处，读出此时内阻箱的电阻
R，则电流表V的内阻rV=R。（检测结果偏大）
例6（2000年全省）从下表中选出适当的实验器材，设计一电路来检测电压表A1的电阻r1，要求方式简捷，有尽可能高的检测精度，并能测得多组数据。
⑴在实线方框中画出电路图，注明所用器材的代号。
器材（代号）尺寸
电压表（A1）阻值10mA，电阻r1待测（约40Ω）
电压表（A2）阻值500μA，电阻r2=750Ω
电流表（V）阻值10V，电阻r3=10Ω
内阻（R1）电阻约100Ω，作保护内阻用
滑动变阻器（R）总电阻约50Ω
电瓶（E）电动势，电阻很小
导线若干，电键K
⑵若选检测数据中的一组来估算r1，则所用的表达式为r1=，式中各符号的意
义是。
【解析】⑴如图所示。
⑵r1I2r2，I1表示通过电压表A1的电压，I2表示通过电压表A2的电压，
I1
r2表示电压表A2的电阻。
【备考提示】在好多情况下，电流表和电压表（已知电阻）的功用可以互换。有时借助一块
水表配合定值内阻也可以完成功能的互换。实际上就是部份电路欧姆定理的变型运用。在处理时，一定要明晰原理电学基本测量实验报告结论，灵活运用。
例7（2006年全省Ⅰ、Ⅲ）现要检测某一电流表V的电阻。给定的器材有：待测电VmA
压表（阻值2V，电阻约4kΩ）；电压表（阻值，电阻约500Ω）；直流电源E（电动势约，电阻不计）；固定内阻3个：R1=4000Ω，R2=10000Ω，R3=15000Ω；电键S及导线若干。要求检测时两水表表针偏转均超过其阻值的一半。
⑴试从3个固定内阻中选用1个，与其它器材一起组成检测电路，并在实线框内画出测
量电路的原理图。（要求电路中各器材用题中给定的符号标出。）
⑵电路接通后，若电流表读数为
U，电压表读数为I，则电流表电阻
VmA
R=。R1
【解析】⑴实验电路如图所示，若S
选用内阻R1，则并联内阻R并＝2000Ω，电流表读数
＝
并E·R
并
＝2.4×2000＝＞1V，电压表读数I＝E＝2.4
mA2000500R并＋r
2000500
RmA＝＝＞，R1符合要求，同理可得R2、R3不符合要求，故选R1。
⑵电路接通后，通过R1的电压I1＝U
，则通过电流表的电压为I2＝I－I1＝I－
，所以R1R1
电流表的电阻V＝U
＝RU
R1
R1I－U
I2
v1.0可编辑可更改【提示】本题涉及实验器材选定和电路设计等，对剖析综合能力提出了较高要求，解答这种试卷必须按照检测要求和所提供的器材，由仪表的选择原则和基本规律为剖析的入手点。
例8（2006年全省Ⅱ）现要测定一个额定电流4V、额定功率的小灯泡（图中用○×表示）的伏安特点曲线。要求所测电流范围为～4V。
现有器材：直流电源E（电动势，电阻不计），电流表（阻值，电阻约为4×104Ω），
12
（阻值250mA，电阻约为2Ω），电压表A
电压表（阻值500mA，电阻约为1Ω），滑动变阻器R（最大电阻约为30Ω），电键S，导线若干。
假如既要满足检测要求，又要检测偏差较小，应当选用的电压表是，下边两个电路应当选用的是。
【解析】在检测小灯泡的伏安曲线时，因为题目要求
电流范围为～4V，因而滑动变阻器采用分压式接法。
A2
I=，因而电压表应
依据计算通过小灯泡的额定电压为
该选用。在伏安法检测过程中，因为
临界内阻RRARV200小于小灯泡内阻，因
此应当选择电压表外接法即选择甲电路进行检测。
测电动势和电阻
（1）检测电路如图
（2）检测方式
第一、计算方式
测两组端电流U和电压I值，之后通过以下多项式求解。
E＝U1＋I1r
E＝U2＋I2r
第二、作U——I图像方式
通过调节滑动变阻器，取得多组（U，I）值，之后在座标中描点，连成直线
用图像处理问题，须注意以下几点：
①连直线的方式：让尽可能多的点在直线上，直线两则分布的点的个数大致均匀偏离直线较远的点舍弃。
②纵轴截距的涵义：电动势E
③横轴截距的涵义：漏电电压I0
④斜率的涵义：内阻。求解方式：r=E
或用直线上任意两点求解斜率的绝对值。
I0
（3）实验偏差剖析
（1）碰巧偏差：主要来始于电流表和电压表的读数以及作U—I图像时描点不很
确切。
（2）系统偏差：系统偏差来始于未计电流表分流，近似地将电压表的示数看作支路
电压。实际上电压表的示数比支路电压略小。若果由实验得到的数据做出图中
虚线（a）所示的图像，这么考虑到电流表的分流后，得到的U—I图像应是图中
的实线（b），由此可见，按图所示的实验电路测出的电源电动势，电源内内阻。
说明：①外电路漏电时，电压表的示数（即支路电压的检测值）等于支路电压的真实值，所以图中（a）、（b）两图线交于漏电电压处。②当路端电流（即电流表示数）为时，因为电压表示数大于支路电压，所以（a）、（b）两图线出现了图中所示的差别。(4)特殊技巧（一）即估算法：画出各类电路图
EI1(R1r)II(R-R)
rI1R1-I2R2
(一个电压表和两个定值内阻)
EI2(R2
E1212
I2-I1r)I2-I1
Eu1I1r
I1u2-I2u1ru2-u1
E(一个电压表及一个电流表和一个滑动变阻器)Eu2I2rI1-I2I1-I2
Eu1u1
rE
u1u2(R1-R2)(u
-u
)R
2(一个电流表和两个定值内阻)R1r
Eu2u2r
u2R1-u1R2u2R1-u1R2
R2
例9、用下图所示的电路，测定一节干电瓶的电动势和电阻。电瓶的电阻较小，为了避免
在调节滑动变阻器时导致漏电，电路中用一个定值内阻R0起保护作用。除电板、开关和导
线外，可供使用的实验器材还有：
（a）电压表（阻值、3A）；
（b）电流表（阻值3V、15V）
（c）定值内阻（电阻1、额定功率5W）
（d）定值内阻（电阻10，额定功率10W）
（e）滑动变阻器（阴值范围0--10、额定电压2A）
（f）滑动变阻器（电阻范围0-100、额定电压1A）
这么
（1）要正确完成实验电学基本测量实验报告结论，电流表的阻值应选择V，电压表的阻值应选择A；R0应选择的定值内阻，R应选择电阻范围是的滑动变阻器。
（2）导致该实验系统偏差的主要诱因是。
II．答案：
（1）3，，1，0～10。（2）因为电流表的分流作用导致电压表读数总是比电瓶实际输
出电压小。
解析：因为电源是一节干电瓶（），所选阻值为3V的电流表；计算电压时，考虑到干电
池的电阻通常几Ω左右，加上保护内阻，最大电压在左右，所以选阻值为的电压表；因为电
池电阻很小，所以保护内阻不宜太大，否则会促使电压表、电压表取值范围小，导致的偏差
大；滑动变阻器的最大电阻通常比电瓶电阻大几倍就好了，取0～10Ω能挺好地控制电路中的电压和电流，若取0～100Ω会出现开始几乎不变最后忽然变化的现象。
关于系统偏差通常由检测工具和所导致检测方式导致的，通常具有倾向性，总是偏大或则
偏小。本实验中因为电流表的分流作用导致电压表读数总是比检测值小，导致E测
<真。
例10、某同事在实验室测定一节干电瓶的电动势和电阻，实验室中有如下器材：A．待测干电瓶B．电压表G（0~3mA，内内阻r1=20Ω）C．电压表A（0~，内内阻r2=）D．滑动变阻器甲（最大电阻10Ω）
E．滑动变阻器乙（最大电阻100Ω）F．定值内阻R1=100Ω
G．定值内阻R2=500ΩH．定值内阻R3=Ω
开关、导线。
因为没有电流表，因此他设计了如图所示的电路完成了实验要求的测
量
①为了便捷并能较确切检测，滑动变阻器应选，定值内阻应
选用。（填写定值内阻前的序号）
②若某次检测中电流表G的示数为I1，电压表A的示数为I2；改变滑
动变阻器的位置后，电压表G的示数为I1′，电压表A的示数为I2′。则可知此电源的内电
阻检测值为r=，电动势检测值为E=。
【解析】干电瓶的电动势和电阻的检测，通常须要电压表和电流表。因为题中没有电流表，故须要将电压表G加装为电流表，且加装后电流表的阻值应当达到，则总内阻为1.5V
，故定值内阻应选用的序号为G的阻值，而滑动变阻器应选用电阻较小的D；
500
3mA
②在两次检测过程中，通过电源的电压是两只水表的电压之和，则按照全电路欧姆定理有
EI1(R2r1)(I1I2)r，EI1(R2r1)(II)2r
I1I1
R2r1，EI2I1I1I2
R2r1
解之，得r
I1I2I1I2I1I2I1I2