歐姆定律虛擬實驗指南

物理初級閱讀時間: 3 分鐘

概述

歐姆定律是電路分析的基礎，描述了導體中的電流、電壓與電阻之間的定量關係。透過這個互動模擬，你將親自驗證 $V = IR$ 公式，並探究電壓與電阻如何共同決定電流的大小。

背景知識

1826 年，德國物理學家喬治·西蒙·歐姆（Georg Simon Ohm）透過大量實驗發現了電流、電壓與電阻之間的這一基本定量關係。雖然這項發現在當時並未受到重視，但後來證明它是電學領域最重要的基石之一。歐姆定律不僅適用於單一電阻，也是分析複雜電路網絡的起點。

核心概念

電壓 ( $V$ )

V \text{ (伏特, V)}

推動電荷流動的「壓力」，由電源提供。電壓越高，推動電荷流動的動力越強。在電路圖中通常由電池組提供。

電阻 ( $R$ )

R \; (\Omega)

導體對電流流動的阻礙作用。電阻由導體的材料、長度與橫截面積決定，不隨電壓改變。

電流 ( $I$ )

I \text{ (安培, A)}

單位時間內通過導體截面的電荷量。電流的方向規定為正電荷移動的方向，在模擬中表現為光點的流動速度。

公式與推導

歐姆定律

I = \frac{V}{R}

導體中的電流與導體兩端的電壓成正比，與導體的電阻成反比。該公式僅適用於線性電阻器。

變形公式

V = IR \quad \text{或} \quad R = \frac{V}{I}

透過已知的兩個參數，可以計算出第三個參數。注意：

R = V/I

僅用於計算阻值，電阻並不隨電壓改變。

實驗步驟

1
探究電流與電壓的關係
保持電阻滑桿在 $500\Omega$ 不變。嘗試將電壓從 $1.5V$ 逐漸增加到 $9.0V$ 。觀察右側數據面板中電流 ( $I$ ) 的變化趨勢。你會發現：電阻不變時，電壓越大，電流越____？（提示：記錄不同電壓下的值，看看它們是否成比例）
2
探究電流與電阻的關係
保持電壓滑桿在 $4.5V$ 不變。嘗試將電阻從 $100\Omega$ 增加到 $2000\Omega$ 。注意電路圖中藍色光點的移動速度。你會發現：電壓不變時，電阻越大，電流越____？（提示：阻值翻倍時，電流變成了原本的多少？）
3
觀察極端情況
嘗試將電壓調節至最大 ( $9.0V$ )，電阻調節至最小 ( $100\Omega$ )。注意此時出現的「電流過大」警告訊息。當電流超過 $25mA$ 時，實際電路中的元件可能會因發熱過快而損壞。
4
改變電流方向
點擊「電流方向」切換按鈕，觀察「傳統電流」與「電子流」的區別。思考：為什麼我們在分析電路時通常使用從正極到負極的方向？

學習目標

準確理解並表述歐姆定律的內容及其物理意義
能熟練運用控制變因法設計並執行探究電學規律的實驗
掌握 $V=IR$ 及其變形公式在基礎電路分析中的計算應用
培養根據物理規律預測實驗數據並進行驗證的科學思維

生活應用

家用電器：調光燈或音響音量旋鈕透過改變可變電阻來調節電流大小
電路安全：保險絲根據電流熱效應設計，當電流過大（由 $V/R$ 決定）時自動熔斷
感測器技術：如電子體重計中的壓力感測器，透過形變改變電阻來實現測量
快充協定：行動裝置透過提高充電電壓 ( $V$ ) 在電阻 ( $R$ ) 受限的情況下獲得更大的電流 ( $I$ ) 和功率 ( $P$ )
萬用表測量：利用已知的內部電壓與測得的電流來計算待測電路的阻值

常見誤區

誤區

電阻的大小取決於電壓與電流（

R = V/I

，所以 V 變 R 就變）

正解

電阻是導體本身的固有屬性，就像人的身長一樣，不隨你跑得快慢（電流）或推力（電壓）改變。公式

R = V/I

只是提供了一種測量電阻的方法。

誤區

只要有電壓，就一定有電流

正解

不完全正確。就像有水壓但水龍頭關著也不會有水流。電流的產生需要：1. 有電壓（電源）；2. 電路必須是閉合迴路。

準備好了嗎？

現在你已經了解了基礎知識，開始動手實驗吧！

開始實驗開始練習

概述

背景知識

核心概念

電壓 (VVV)

電阻 (RRR)

電流 (III)

公式與推導

歐姆定律

變形公式

實驗步驟

探究電流與電壓的關係

探究電流與電阻的關係

觀察極端情況

改變電流方向