この実験について
電池、スイッチ、直列につないだ電流計、部品の両端に並列につないだ電圧計を使って、基本的なオームの法則の回路を組み立てます。電源電圧を変えながら、電圧計と電流計の読み取り値を記録し、電流-電圧グラフを描きます。固定抵抗器では原点を通る直線になりますが、フィラメント電球では、加熱されるにつれて抵抗が大きくなるため、曲線になります。
学習目標
- 電流計を部品と直列に、電圧計を部品と並列につなぎます
- 固定抵抗器を流れる電流が、両端の電圧に比例することを示します
- 計器の読み取り値を使って、R = V / I から抵抗を計算します
- フィラメント電球がオームの法則に従わない理由を説明する
使い方
- 1固定抵抗器を 20 Ω に保ちます。電源を 0 V に設定し、「読み取り値を記録」を押します。
- 2電圧を 1 V または 2 V ずつ上げ、各段階で読み取り値を記録します。
- 3原点を通る直線と各点を比較し、抵抗値を変えて2組目のデータを記録します。
- 4フィラメント電球に切り替え、測定を繰り返してグラフの形を比較します。
モデル
前提条件
- 電池には内部抵抗がないため、スイッチを閉じると電圧計は電源電圧全体を示します。
- 電流計の抵抗はゼロで、電圧計には電流が流れません。
- 固定抵抗器の温度は一定に保たれます。電球の曲線は、小型のタングステンフィラメントランプの実測値に基づく近似曲線です。
- 動く点は電荷が流れる方向を示しています。動く速さは誇張されていますが、電流に比例しています。
授業で試してみましょう
- Q120 Ωの抵抗器にかかる電圧を2倍にします。電流はどうなりますか？
- Q22つの抵抗器は2本の直線を示します。どちらが抵抗値の大きい方に対応しますか？また、傾きからどう判断できますか？
- Q3スイッチを開きましょう。電池にはまだ電圧があるのに、なぜ両方の計器はゼロを示すのでしょうか？
- Q4電球の測定値を使って、1 Vと12 VのときのRを計算しましょう。なぜ値がこんなに違うのでしょうか？
よくある質問
オームの法則は実際には何を述べているのでしょうか？
温度が一定に保たれた金属導体では、電流は導体にかかる電位差に正比例します。V / Iの一定の比が、その導体の抵抗です。
なぜ電流計は直列に、電圧計は並列につなぐのでしょうか？
電流計はある点を流れる電荷を測定するため、電流のすべてが電流計を通る必要があります。電圧計は2点間の電荷あたりのエネルギーを比較するため、部品の両端につなぎます。
フィラメント電球は壊れた抵抗器なのでしょうか？
いいえ。どの時点でもR = V / Iの関係は成り立ちますが、温度によって抵抗が変化するため、I-Vグラフは直線ではなく曲線になります。このような部品は非オーム性と呼ばれます。
電子はなぜ電流の矢印と反対向きに動くのでしょうか？
電子が発見される前、電流の向きは正電荷の流れる向きと定義されていました。金属線では電子が電荷を運び、負極から正極へ移動します。