オームの法則

学習指導要領： KS3, GCSE, cycle 4, 2de, Sek I, HS, AP2, IB B.5

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目的

抵抗を流れる電流と、抵抗にかかる電圧の関係を明らかにします。

実験装置

5 V の電圧源、電流計、100 Ω の抵抗があり、抵抗には電圧計が並列につながれています。

手順

1. 電圧のつまみで、電圧源を 0 V にします。
2. 電圧を 1 V ずつ 10 V まで上げ、そのたびに電流計と電圧計の示す値を記録します。
3. 横軸に電圧、縦軸に電流をとってグラフをかきます。
4. グラフから抵抗 \(R = U / I\) を求めます。

予想される結果

5 V では、電流計は約 49.7 mA、電圧計は約 4.97 V を示します。点は原点を通る直線の上に並び、電流は電圧に比例します。どの段階でも \(R = U / I\) ≈ 100 Ω で、10 V では電流は約 99 mA です。

問題

1. 200 Ω の抵抗を使うと、グラフの傾きはどう変わりますか。
2. 電圧計が、電圧源に設定した値より少し小さい値を示すのはなぜですか。

解答

1. グラフの傾きは \(I / U = 1 / R\) なので、200 Ω では傾きが半分になります。どの電圧でも電流は半分になり、10 V では 99 mA ではなく約 50 mA です。
2. 電圧源には 0.5 Ω の内部抵抗があり、電流計とケーブルもわずかに抵抗を加えます。電流がそれらを流れると100分の数ボルトの電圧降下が生じるので、抵抗には電圧源に設定した電圧より少し小さい電圧、5 V ではなく約 4.97 V がかかります。