第四编第十三章§4 欧姆定律实验

欧姆定律实验一、实验概述实验的“原型”欧姆定律是电学中的基本定律之一。

欧姆1826年发现欧姆定律时，既没有直接测量电流的仪器，电源（伏打电堆）的电压也不稳定，但是欧姆凭借其坚持不懈的精神和高超的实验技能，不仅解决了比较精确间接测量电流的仪器，而且接受他人的观点，得到电压稳定的电源，从而发现了欧姆定律。

欧姆在当时物理学家的兴趣主要集中于电流磁效应研究的历史背景下开展电路中电流规律的研究。

首先，他采用类比的思想方法，认为电路中电流现象和热流现象类似，傅里叶认为导热杆上两点之间的热流的大小与这两点的温度差成正比，欧姆从而提出假设：导线中两点之间电流的大小也正比于这两点之间的某种驱动力。

为了验证这一假设，他利用伏打电堆作为电源进行实验，但是未能得到预期的结果，主要原因是伏打电堆的电压不稳定，但是他并没有放弃，在波根道夫的建议下采用塞贝克发明的温差电偶，解决了电源稳定的问题。

其次，电流强度的测定也是一个技术难题，欧姆首先利用电流的热效应，通过热膨胀来间接测定电流强度，但是结果很不精确，后来他创造性地把奥斯特发现的电流磁效应和库仑的扭秤法结合起来，设计了一个电流扭秤，将电流强度这个电学量转化成力学量进行测量，解决了间接测量电流的问题。

欧姆在实验过程中，首先控制温度差不变（即电动势不变），通过改变粗细相同铜丝的长度，得到磁作用强度（间接反映电流强度）与铜丝导线长度（即外电阻）、温度差（即电动势）和电路中其他电阻之间的关系，即全电路欧姆定律。

他通过改变尺寸不同的黄铜线，改变温差电池两端的温度，进行大量的实验，都得到了同样的结果。

欧姆定律实验所采用的科学方法有：类比法、间接测量法、控制变量法、比值定义法等。

欧姆定律是电工学的基础，催生了后来的基尔霍夫定律，为电路理论的发展做出了杰出的贡献。

欧姆发现的欧姆定律在形式上虽然比较简单，但是他为此付出了艰辛的劳动。

实验的设计思路欧姆定律教学实验是现有六套义务教育初中物理教科书中均呈现的重要实验。

初中物理设计欧姆定律教学实验，旨在探究部分电路中电流与电压、电阻的关系。

现在蓄电池或干电池在电流不太强的情况下均可在一定时间内提供稳定电动势，所以稳定电源不存在问题。

学生也不像欧姆当时不清楚电流、电压、电阻的准确科学概念和测定方法（初中学生还没有学习直接测定电阻的方法），因此，可以将欧姆探究全电路欧姆定律的实验进行改造，用电流表、电压表测定电流和电压，采用欧姆的方法选取各种定值电阻进行探究。

在初中阶段，为了获得部分电路中明确的电流、电压、电阻比例关系，往往希望电流、电压、电阻为整数大小，便于读数和数据处理，减少误差。

这样教学过程比较简单，学生也容易理解。

由于学生已经知道串并联电路电流、电压的特点和使用变阻器的方法，我们可以方便地对部分电路电压或电流大小进行成整数倍变化的控制，用各种定值电阻对电阻大小进行成整数倍变化的控制。

初中物理欧姆定律教学实验希望学生获得：“电阻一定，通过电阻的电流与电阻两端的电压成正比”、“电压一定，通过电阻的电流与电阻阻值成反比”或“电流一定，电阻两端的电压与电阻阻值成正比”。

为了在避免学生产生“导体电阻跟电阻两端的电压成正比，跟通过电阻的电流成反比”的错误结论，在实验设计中不进行电阻测量（即不把电阻作为因变量）。

二、实验鉴评我国从1952年起，历次教学大纲均要求伏安法测电阻实验，在1988、1992和2000年大纲中还要求演示电流跟电压的关系，电流跟电阻的关系。

课程标准对欧姆定律及相关概念、技能和方法都有非常高的要求，希望在实验教学的基础上开展关于欧姆定律的教学。

事实上，欧姆定律教学实验能够多方面实现课程标准提出的学习目标。

在知识与技能方面，欧姆定律教学实验能够巩固学生之前所掌握的电路、电压、电流和电阻的概念，巩固电压表、电流表和滑动变阻器的使用技能，探究电流、电压和电阻之间的定量关系；在过程与方法方面，通过实验探究欧姆定律体验并初步掌握控制变量法；在情感态度与价值观方面，在探究活动中养成实事求是的科学态度，基于实验证据谨慎概括、归纳的习惯。

由于“探究欧姆定律”实验可以让学生学习物理学控制变量的研究方法，所以现有六套义务教育初中物理教科书都设计了该实验活动。

控制变量法是物理学中的常用方法，也是科学探究中的重要思想方法。

物理现象常常受到多种因素的影响，为了描述这些因素与物理现象之间的关系，常常把多因素的问题变成多个单因素的问题，而只改变其中的某一个因素，从而研究这个因素对事物影响，分别加以研究，最后再综合解决，这种方法叫控制变量法。

“探究欧姆定律”实验为了获得部分电路中明确的电流、电压、电阻比例关系，往往要求对部分电路电压或电流大小进行成整数倍变化的控制，用各种定值电阻对电阻大小进行成整数倍变化的控制。

即控制电阻改变电阻两端的电压，测定通过电阻的电流；控制电压改变电阻阻值，测定通过电阻的电流；控制电流改变电阻阻值，测定电阻两端的电压。

下面对各种版本教科书欧姆定律实验设计的特点进行介评。

人教版欧姆定律实验在人教版8年级下册中。

教科书对实验探究过程的要求非常开放，既要学生根据主题提出问题、做出猜想或假设，又鼓励学生设计实验方案和选择实验器材，还要求学生对自己的实验设计和结论进行评估、交流。

该教科书对物理学的图像探究方法也比较重视，要求学生通过图像法在U-I坐标系中描绘两不同阻值电阻的电压随电流的变化关系。

最后该教科书让学生对探究的活动进行回顾、分析、反思、总结、交流，例如，实验设计是否合理、操作有无失误、测量结果误差的来源、改进实验的措施、分享探究心得等。

沪科版欧姆定律实验在沪科版9年级中。

该教科书以电流为核心采用层层引导的方式设计欧姆定律实验，利用以往的学习经验作出猜想，教材提供一些实验器材有助于学生有效地进行设计实验的电路图，数据处理过程中采用两种方法，既有定性的结论，也有定量的结果，同时也用图像法进一步验证，切实引导学生对该实验进行评估。

沪科粤教版欧姆定律实验在沪科粤教版9年级上册中。

沪科粤教版在强调学生自主探究的同时，比较注重对学生的切实指导。

例如，在制定计划与设计实验环节，非常强调物理学的“控制变量法”；通过两种电路图的比较，引导学生设计探究电路；在实验测量过程中，提醒学生整数倍地改变电压和电阻，这样既可以减小实验误差和使得分析论证比较方便，也能够使实验操作变得快捷。

在物理实验规范方面，该教科书强调在电路中要接入限流式滑动变阻器，这样既有利于改变通过电阻的电流和定值电阻两端的电压，也实验实验仪器的安全保证，突出了物理实验技能和规范。

欧姆定律实验在北师大版9年级中。

该教科书按照科学探究的环节和步骤进行设计，采用学案的形式设计，由于学生有了一定的科学探究能力，所以教科书设计的相当开放，留有大量的“留白”，让学生和教师在教学过程中共同完成。

教科书要求学生根据以往的学习经验提出问题、猜想与假设，在制定计划环节，提示学生如何设计实验，设计表格记录实验数据，根据表格中的数据进行归纳、总结，得出结论，并进行反思、评估、交流。

教科书对该实验的处理完全体现开放性、自主性，让学生亲历科学探究的全程，主动获取知识与技能。

苏科版欧姆定律实验在苏科版9年级上册中。

该教科书在学生已经掌握电阻可以对电路中的电流进行调节后再次利用已经创设的调光灯情境，提出问题。

通过科学探究活动，引导学生进行猜想与假设，并进行实验验证，通过列表法和图像法，让学生掌握多种实验数据处理的方法，培养学生的能力。

该教科书注重对该实验误差来源的追溯。

教科版欧姆定律实验在教科版9年级上册中。

该教科书将欧姆定律的实验探究分为两个阶段，先用“怎样改变电流的大小”作为铺垫，既让学生掌握了如何探究欧姆定律的电路，又复习了电压表、电流表的使用技能，还定性地得到了相关结论，有助于在欧姆定律的实验探究中聚焦于数据的获取、数据处理、归纳、总结、得出结论。

三、实验拓展（一）实验系统误差的控制初中物理欧姆定律教学实验一般采用以下两种电路进行探究：电流表外接法电流表内接法这里显然有系统误差的问题。

在电流表外接的电路中，电压表的读数V 等于电阻R 两端的电压，而电流表的读数则等于通过电阻的电流I R 与通过电压表的电流I V 之和。

因此，测量的电流值偏大。

也就是，如果我们用测量的电压和电流计算电阻，设电压表的电阻为R V ，就会有：VVVV VR RR R R RR R R RR R R R R RR I I V R I V R +=∆+=-=∆+=+==2''可见，当电阻R ＜＜R V 时，这种外接法的系统误差很小；反之，误差可能很大。

在电流表内接的电路中，电流表的读数I 等于通过电阻R 的电流，而电压表的读数则等于电阻两端的电压V R 与电流表两端的电压V A 之和。

因此，测量的电压值偏大。

也就是，如果我们用测量的电压和电流计算电阻，设电流表的电阻为R A ，就会有RR RR R R R R R R IV R I V R A A AR =∆=-=∆+===''可见，当电阻R ＞＞R A 时，这种内接法的系统误差很小；反之，误差可能很大。

当定值电阻R 为5Ω，10Ω，15Ω时，蓄电池或稳压电源提供的电压在2~6V 范围变化，一般来说电流在1.2A 以下变化。

如果用干电池进行实验，电压在1.5~4.5V 范围变化，一般来说电流在0.9A 以下变化，而一般干电池的正常放电电流为0.3A ，因此，不主张用干电池串联提供不同电压进行实验（如果用干电池串联提供不同电压，必须选定值电阻R 为15Ω，20Ω，25Ω）。

中学实验室的0~15V电压表电阻R U≈4kΩ，0~3A电流表电阻R A≈0.025Ω。

蓄电池或稳压电源提供的电压，外接法的最大系统误差约0.3%，内接法的最大系统误差约0.5%。

因此，两种接法均可采用。

一般采用外接法。

（二）实验学习质量的检定从教学逻辑的角度看，欧姆定律实验是前面电压、电流测量实验和用变阻器改变灯泡亮度实验的延伸，是后继测量小灯泡功率、电流热效应的基础，因此该实验在知识与技能方面起到承上启下的作用。

欧姆定律实验所用到的控制变量法、图像法是非常重要的方法，在探究性实验中经常用到。

在本实验过程中，电压表、电流表量程的选择和正确接入电路是该实验的核心之一，如果选择失当会造成实验误差或错误，因此在教学过程中应特别注重。

变阻器在实验中起到调节电路中电阻的作用，在后继的相关实验中经常使用变阻器，因此变阻器的正确接入和滑片移动的方向与接入电路电阻的大小变化应成为教学的重点之一。

图像法能够帮助学生有效、形象地处理实验数据，得到正确的结论，由于做的是UI 图像，所以图像中直线的斜率是电阻的倒数，这一点是教学中特别要特别重视。

可见，欧姆定律实验教学的重点主要包括：电压表、电流表量程的选择、如何接入电路、如何读数；变阻器在电路中的作用；图像法处理实验数据等。