關於此實驗
組裝經典的歐姆定律電路：使用一個電池、一個開關、一個串聯的電流表，以及一個並聯在元件兩端的電壓表。改變電源電壓，記錄每組電表讀數，並繪製電流-電壓圖。定值電阻的圖形是一條通過原點的直線，而燈絲燈泡的圖形則是曲線，因為它的電阻會隨著升溫而增加。
學習目標
- 將電流表與元件串聯，並將電壓表與元件並聯
- 證明流經定值電阻的電流與其兩端的電壓成正比
- 使用電表讀數，透過 R = V / I 計算電阻
- 解釋燈絲燈泡不遵守歐姆定律的原因
使用方法
- 1將定值電阻維持在 20 Ω。將電源設定為 0 V，然後按下「記錄讀數」。
- 2每次將電壓提高 1 或 2 V，並記錄每個階段的讀數。
- 3將各點與一條通過原點的直線進行比較，接著改變電阻並記錄第二組數據。
- 4換成燈絲燈泡，重複測量並比較圖線的形狀。
模型
假設
- 電池沒有內阻，因此開關閉合時，電壓表讀數為完整的電源電壓。
- 電流表的電阻為零，電壓表不取電流。
- 固定電阻器保持恆溫。燈泡曲線是根據一個小型鎢絲燈的實測數據擬合而成。
- 移動的點表示電荷流動的方向。點的速度經過誇大，但仍與電流成正比。
在課堂上試試這個實驗
- Q1將 20 Ω 電阻兩端的電壓加倍。電流會如何變化？
- Q2兩個電阻對應兩條直線。哪條線對應較大的電阻？如何從斜率判斷？
- Q3斷開開關。儘管電池仍有電壓，為什麼兩個電表的讀數都是零？
- Q4用燈泡的測量數據計算電壓為 1 V 和 12 V 時的 R。為什麼這兩個值相差這麼大？
常見問題
歐姆定律實際上說了什麼？
對於溫度保持恆定的金屬導體，電流與其兩端的電位差成正比。恆定比值 V / I 就是它的電阻。
為什麼電流計要串聯，電壓計要並聯？
電流計測量流經某一點的電荷，因此所有電流都必須流過它。電壓計比較兩點間每單位電荷的能量，因此要連接在元件兩端。
燈絲燈泡是一個損壞的電阻器嗎？
不是。在每個狀態下，它都符合 R = V / I，但它的電阻會隨溫度變化，因此 I-V 圖像是曲線而不是直線。這類元件稱為非歐姆元件。
為什麼電子的運動方向與電流箭頭相反？
在電子被發現之前，傳統電流方向被定義為正電荷流動的方向。在金屬導線中，電子是電荷載子，會從負極漂移到正極。