第四编第十三章4 欧姆定律实验.docx

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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。

教科书根据学生以往的学习经验（电路中的电阻或电压发生变化后，电路中的电流发生变化），直接提出问题：

“如果知道一个导体的电阻值，还知道加在它两端的电压，能不能计算出通过它的电流呢？

”从而引出探究主题：

电阻上的电流跟两端电压的关系。

根据上文的阐述，学生容易提出问题：

电阻上的电流与电压有什么定量关系呢？

教科书让学生自己提出猜想，并要求学生对自己的猜想提供依据。

教科书引导学生进行实验设计。

由于人教版将该实验安排在8年级下册，对学生而言研究三个变量之间的关系比较困难，所以教科书指明学生研究“固定电阻，研究电流与电压的关系”，降低学生探究的难度。

对于改变电阻两端的电压，教科书采用开放的方式，仅指出可以根据所使用的电源来改变电压，实质上改变电阻两端电压的方式有很多，例如串联滑动变阻器，改变接入电池的节数，调节学生电源的输出电压等。

在实验过程中，教科书要求学生分别对两个定值电阻在不同的电压下电流的变化情况或在不同的电流下电压的变化情况进行测量和记录，然后直接通过图像法让学生在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，从而得到“通过导体的电流与加在导体两端的电压成正比”这一结论，并要求学生得出电流、电压、电阻的关系式。

该教科书虽然这时没有直接给欧姆出定律的数学公式，但是，在下一单元却明确地呈现了它，使学生可以对照后分析自己归纳的公式是否正确。

教科书要求学生对经历的实验探究活动进行评估，分析、反思在探究中实验设计是否有不合理的地方，操作中有没有什么失误，测量结果是不是可靠……让学生有意识地反思、评估，发现不足，并进行调节。

教科书要求学生根据自我评估的内容进行交流，鼓励学生就探究中的一些问题进行讨论，既要坚持自己的观点，又要吸取他人有益的建议。

教科书的“想想议议”栏目对设计实验环节中的“如何改变电阻两端的电压”进行有益的补充，有利于学生更好地设计实验电路。

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。

教科书紧抓电流这一物理量设计欧姆定律实验，由于电流能产生各种效应，那么电流与哪些因素有关？

如何调控电流呢？

从而提出值得探究的问题。

根据学生对电压、电阻相关知识的掌握情况，引导学生进行合理猜想与假设。

在制定计划与设计实验环节，提示学生利用控制变量法设计电路，并提供各种实验器材由学生选择。

进行实验与收集证据环节引导学生思考如何保持电阻两端的电压不变，进一步巩固滑动变阻器在电学实验中的作用。

让学生在实验过程中收集电压一定时电阻的大小、电流大小的数据，收集电阻一定时电压的大小、电流大小之间的数据，并进行定性分析。

在对表格中数据定性分析的基础上采用图像法，在U-I坐标系中描绘电阻不变时电流随电压变化的图像，从而得出保持电阻不变时，电流跟电压成正比关系。

对于电压不变时电流随电阻变化的图像，要求学生模仿作图，通过图像得到相应的规律。

教科书要求学生对经历的实验探究结果进行交流、分析、评估，寻找各小组之间的差异及其差异形成的原因，寻找存在的问题并提出改进措施。

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。

教科书根据学生曾经经历的实验探究活动及其得到的结论——“当电路中的电阻或电压发生变化时，电路中的电流就会发生变化”，明确提出问题：

“电路中的电流跟电压、电阻之间究竟存在怎样的关系？

”

在设计实验环节，教科书通过原始的测量电阻两端的电压和通过电阻的电流电路图引发学生思考：

如何改变电阻两端的电压？

从而解决在电路中串联滑动变阻器的问题。

为了研究多变量之间关系的问题，教科书指出应利用控制变量的科学方法，并详细讨论了控制变量法在该实验中的应用。

教科书以插图的形式呈现了实验所需要的器材，要求学生根据讨论后达成一致的实验方案和电路图进行实验。

在实验过程中，教科书引导学生从两个方面对问题进行探究：

其一是当电阻保持不变时，电流跟电压成什么关系？

其二是当电压保持不变时，电流跟电阻成什么关系？

并提醒学生在实验探究过程中整数倍地改变电压和电阻，这样操作与分析都比较方便和准确，学生易于归纳、总结得到结论。

根据表格中的数据，教科书引导学生综合归纳出欧姆定律。

北师大版

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。

教科书基于学生已经掌握的相关电学知识（电压是形成电流的原因，电阻对电流有阻碍作用）提出问题，引导学生根据经历的相关电学实验（用滑动变阻器改变电路中电流）进行猜想，并要求学生交流猜想的依据。

教科书引导学生进行实验方案、实验电路图的设计。

为了测量相关电学量就必须选择相应的实验仪器，根据实验仪器设计相应的实验电路，根据实验电路引导学生利用控制变量法制定相应的实验步骤。

教科书让学生自主设计实验数据表格，并根据实验步骤和在实验过程中收集的相关实验数据填写在数据表格中。

根据数据表格中所记录的数据由学生自主分析、归纳、总结，得出相关结论，并与同学进行交流讨论。

在评估与交流环节，不仅仅需要交流、评估实验结果，还要求对实验方案、影响实验结果的相关因素进行讨论，优化实验的方案。

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。

教科书在学生了解电阻在电路中作用的基础上，通过卡通人物的对话让学生进一步探索如何调节滑动变阻器使灯泡通过需要的电流，为此必须寻找电流、电压和电阻之间的关系，从而提出问题。

学生根据以往的学习经验对教科书所提出的两个问题进行猜想与假设，学生能够猜想出典雅越大，电流越大，电阻越大，电流越小。

学生在“电阻”主题的学习过程中已经经历了控制变量法的学习，所以学生易于想到利用控制变量法研究该实验中涉及到三个物理量之间的关系。

教科书提供该实验的电路图，并功过“信息快递”栏目提示学生如何改变电阻两端的电压，为实验探究做好铺垫。

教科书通过问题串的形式让学生进一步思考控制电阻不变时研究电压对电流影响的实验步骤，控制电压不变时研究电阻对电流影响的实验步骤，以及如何测量通过电阻的电流和电阻两端的电压。

在连接电路过程中教科书提示学生选择适当的电压表、电流表的量程。

控制电阻不变，通过改变滑动变阻器滑片的位置进而改变电阻两端的电压和通过电阻的电流，并将电压值和电流值记录在数据表格中。

更换不同阻值的电阻，通过改变滑动变阻器滑片的位置进而控制电阻两端的电压不变，记录电阻的阻值及其流过电阻的电流值。

让学生对两个数据表格中的数据进行分析，寻找电阻不变时，电流和电压的定量关系，电压不变时，电流和电阻的定量关系，对以上两个结论进行归纳、总结，从而得到电流、电压和电阻三者之间的关系。

教科书注重对该实验的误差分析，期望学生寻找到产生实验误差的原因。

教科书引导学生通过描点法作出“电阻一定时，通过电阻的电流和电阻两端的电压关系”的图像，让学生自主发现图像中蕴含的信息，培养学生用图像分析、处理实验数据的能力，贯彻课程标准的要求。

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。

教科书采用生活情境并配以图片进行课题导入，让学生了解舞台灯光、声音大小的变化都是通过改变电流的大小来实现，如何改变电路中电流的大小呢，顺利过渡到实验探究模块。

教科书在回顾电压、电阻对电流影响的基础上提出如何定量地研究电压、电阻对电流的影响。

为了进行定量的研究，需要选择测量相关物理量的仪器，确定如何改变电路中的电流，设计好实验电路。

教科书提供实验电路图、相关实验器材以及实物图，让学生根据电路图连接实物图，避免在连接实际电路时出现差错。

学生在“怎样改变电流的大小”实验中定性地得到“导体两端的电压越大，电流越大”、“电路中的电阻越大，电流越小”的结论。

在此基础上，教科书通过卡通人物的对话引导学生进行讨论，电流大小的变化是由于电压引起的还是电阻引起的？

引导学生利用控制变量法，将研究电流根电压、电阻的关系分成两个小课题分别进行深入探究。

在探究“电阻一定时，电流跟电压的关系”时，提示学生可以调节滑动变阻器的阻值来改变电阻两端的电压，为课题2的探究活动中如何控制电阻两端的电压不变奠定基础。

学生在实验过程中记录相关数据，根据数据表格分析得到结论。

在课题2中，学生根据课题1中滑动变阻器的作用自然想到通过调节滑动变阻器的滑片以控制电阻两端的电压不变。

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：

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IR与通过电压表的电流IV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RV，就会有：

可见，当电阻R＜＜RV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VR与电流表两端的电压VA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RA，就会有

可见，当电阻R＞＞RA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RU≈4kΩ，0~3A电流表电阻RA≈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

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。

这些也是考查学生学习本实验内容的主要方面。

在考查欧姆定律实验的学习效果时，往往涉及电流表正确接入和量程选择，还涉及变阻器的正确使用和滑片移动的方向与电路中电流的大小变化。

这些都可以在相关的学习评价环节进行检定。

例如，我们可以这样来检定学生本实验的学习情况。

在研究电流与电阻和电压关系的实验中，闭合开关前，滑动变阻器应处于什么状态？

这样的目的是什么？

如果某人按图15的电路原理图连接了图16实物电路，其中有两个元件连接错误。

它们分别是什么？

如果重新连接电路后，用开关S进行试触，如果电流表指针向左偏转，说明电流表的连接有什么问题？

如果电流表指针向右偏转超过刻度盘，应换用什么量程？

当正确连接电路后，测出Rl=5Ω、两端电压为3V时的电流。

然后将电阻R1由5Ω换成10Ω，为了使电阻Rl两端的电压仍然为3V，他应将滑动变阻器的滑动触头P向哪端滑动？

在触头P滑动的过程中，电路中的电流将怎样变化？