电磁学
直流电路中的欧姆定律
探究直流电路模型中电源与纯电阻满足的关系 I = U/R。 改变电压和电阻并测量电流,检验 .
⚠ 图示电路为模拟;搭建真实电路时请使用低电压,并在接线前断电。
器材
- 虚拟电源、电阻、导线和电流表
- U 与 R 滑块及 I–U 图
实验步骤
改变 U、R 并测量电流
保持 R 不变,用滑块增大电压 U;读取电流表的 I,并观察 I–U 图上的点。然后保持 U 不变,增大 R,观察 I 减小。将读数与 I = U/R 对照;电子运动方向与传统电流方向相反。 将观察到的量与下式比较: .
检验电流关系
保持 R 不变,设置两个电压 U,读取电流表并记录数据对。检查每个点是否符合 ;理想电阻的特性曲线是过原点的直线。
比较电阻的影响
保持 U 不变,将 R 增至多个数值,记录 I 并与 U/R 比较。根据图表和读数说明电阻增大时电流如何变化,并指出该模型假设为纯电阻。 将观察到的量与下式比较: .
模拟
实验历史
格奥尔格·西蒙·欧姆是德国物理学家,研究电流如何依赖电压与导体性质。1827年,他在著作《伽伐尼电路的数学研究》中发表实验结果;此前他使用不同电源和导线测量电流。由于当时的电池难以提供稳定电流,他的研究起初并未得到广泛认可。
欧姆提出,在规定条件下导体两端的电势差与电流呈线性关系,今天通常写作 U = IR。电阻 R 取决于材料、尺寸和温度,因此欧姆定律并非适用于所有元件的普遍规律。电阻单位“欧姆”以他的名字命名,以纪念他对定量电学的贡献。随着实验方法和电源设备改进,这一关系逐渐成为分析简单直流电路的基础,并被写入电学课程与工程计算中。验证比例关系时要固定导体的材料和温度,因为加热会改变电阻;这一限制也说明物理定律通常需要明确适用条件。
随着电池与测量仪器改进,欧姆的定量方法逐渐得到重视,后来以他的名字命名的定律成为电路分析基础。线性关系只适用于温度等条件近似不变的欧姆导体;灯丝升温或半导体等器件可能偏离直线,实验时应把这一适用范围与数学拟合一并记录。