探究影响电路中电流大小的因素

　　一、问题的提出

 

　　物理课上，老师给同学们提出一个问题：“我们学过‘电压是形成电流的条件之一。’可见电流与电压之间的关系非常密切，你是否想过它们之间有什么关系呢？”经片刻沉默之后张阳同学举手说：“我发现手电筒使用的电池越多，灯泡就越亮，电池越多电源所提供的电压就越高，所以我想他们的关系应该是：电压越高，电流越大。”老师接着说：“是这样吗？希望大家自愿结合成小组通过实验来探究一下，看看大家有没有什么新的发现。”

 

　　二、假设的形成

 

　　接到问题之后，我和张思淼、张阳、石鹏同学商量组成探究小组，对老师提出的问题进行了讨论并进行了推测。

 

　　根据水管中水压越大，水流就越快的经验，我们的出了这样的假设：“电压越大，电流就越大”（可以利用电池组、定值电阻、电流表、导线组成电路。实验过程中改变电路两端电压，同时测出电路中的电流的大小。）

 

　　三、实验的设计与实施

 

　　实验前，为了更准确的完成探究实验，我们对研究假设中的变量进行识别，确定了自变量、因变量。根据变量测量的需要选择了实验仪器、制定了实验步骤，设计了实验记录表，并根据计划实施了探究实验。

 

　　（一）识别变量，选择控制技术

 

　　根据实验假设我们确定本实验的自变量为电路两端的电压；因变量为电路中的电流。实验过程中，改变电路两端电压，同时观察电流随电压的变化而变化的情况。

 

　　实验中需要解决三个问题：①怎样改变和测量电路两端的电压。②怎样测量电路中的电流。③怎样控制其他因素对实验的影响。我们讨论认为实验的难点就在于如何控制其他因素对实验的影响，为了解决这个问题，我们决定利用“仿真物理实验室”在虚拟的理想环境下完成实验。

 

　　（二）确定实验器材、设计实验电路和实验步骤

 

　　1．实验器材：

 

　　所需要的实验器材如下：电池组（内阻为0）、定值电阻（10Ω）、数字电流表（内阻为0）、开关、导线。

 

　　选用数字电流表是为了使测量结果更准确。电源、电流表的内阻设定为零，是为了消除对实验结果的影响。

 

　　2．实验电路和实验步骤

 

　　为了检验假设的真伪性，我们设计了如右的实验电路，并确定了实验步骤。步骤中包含了电路连接的步骤；改变自变量、测量因变量的操作步骤；实验过程中的记录步骤；为处理实验数据而进行的图像拟和步骤。

 

 

　　实验步骤：

 

　　（1）按电路图连接电路。

 

　　（2）试触开关，检查电路连接是否正确。

 

　　（3）闭合开关，观察电流表的示数。

 

　　（4）将电源电压和电流表的示数记录在记录表中。

 

　　（5）改变电池节数，重复步骤3、4。

 

　　（6）将实验数据用EXCEL做出图像。

 

　　（7）整理仪器，完成实验报告。

 

　　（三）设计实验记录表

 

　　在设计实验记录表时，我们把自变量的记录放在第一层，因变量的记录放在第二层。这样在一个表格中就体现出自变量、因变量之间的因果关系以及这个关系成立的条件。

 

表一 电流与电压的关系记录表

 

 

　　（四）实验的实施

 

　　根据所设计的实验步骤进行实验验证，并做好实验记录。

 

表一 电流与电压的关系记录表

 

　　四、分析结论

 

　　将实验数据输入EXCEL，拟和图像。

 

 

　　从本实验表一的数据和图一的图像中可以清楚的看出：随着电压逐渐增大时，电流也随着增大。

 

　　认真观察图像和分析表一种的数据，我们惊奇的发现，每组数据中的电压与电流的比值都相等，而且都等于所用电阻的阻值，这是一种巧合吗？我们决定更换不同的电阻继续探究。

 

　　五、形成新的假设

 

　　根据上面的实验，我们提出了新的假设：电路中电阻的数值等于电路两端的电压与通过电路的电流的比值。

 

　　六、新假设的实验设计、实施及数据的分析

 

　　（一）实验的控制和变量的确定

 

　　假设中涉及到三个物理量，为了降低难度，经讨论我们确定了本实验中的电流和电压为中间变量、自变量为电路中的电阻、因变量为电路两端的电压与通过电路的电流的比值。

 

　　（二）选取实验器材和设计实验电路、确定实验步骤

 

　　实验器材：

 

　　无限电源（内阻为0）、变阻箱（0—999999Ω）、数字电流表（内阻为0）、开关、导线。采用无限电源和变阻箱的目的是为了方便的改变电路两端电压和电路中的电阻，其他的就不用介绍了。

 

　　实验电路：

 

 

　　实验步骤：

 

　　（1）按电路图连接电路。

 

　　（2）试触开关，检查电路连接是否正确。

 

　　（3）闭合开关，观察电流表的示数。

 

　　（4）将电源电压和电流表的示数记录在记录表中。

 

　　（5）改变电阻箱的电阻，重复步骤（3）、（4）。

 

　　（6）改变电压，重复（3）、（4）、（5）。

 

　　（7）整理仪器，完成实验报告。

 

　　（三）设计实验记录表

 

　　在设计实验记录表时，我们把中间变量的记录放在表格的第一层和第二层，因变量的记录放在第三层，自变量的记录放在第四层。这样做的目的是为了便于比较电路中的阻值和电压与电流的比值。

 

表二 电流与电阻的关系记录表

 

 

　　（四）实施实验

 

　　根据实验步骤进行实验，记录数据如下：

 

表二 电流与电阻的关系记录表

 

　　（五）分析结论

 

　　将表二中的自变量和因变量输入EXCEL，并拟和图像和公式如下：

 

 

　　通过计算机拟和出来的公式，我们可以看出：电路中电阻的数值等于电路两端的电压与通过电路的电流的比值，用公式来表示这一关系为：R=。

 

　　将上面的公式变形，我们可以得到通过电路中的电流I=，从此公式中我们可以知道：电路中的电流的大小与电路两端的电压和电路中的电流有关，电路两端的电压越大，电路中的电阻越小，电流越大。

 

　　七、交流结论

 

　　实验结束后，我们将实验过程和结果写成实验报告，并与其他小组进行了交流。在实验的过程和验证的方法上有所不同，有的小组是利用实验进行探究的，由于影响因素不好控制，实验数据规律性不强，对结论的形成造成一些困难，有的小组在猜想和推测时就考虑到电阻的影响，直接提出两条假设，分别进行验证。最终也得到了电流与电压和电阻的关系。所有的这些方法都活跃了我们的思维、开阔了我们的视野。