告別傳統燈泡與安培計!原來電流實驗可以這麼清爽。
我是科學訓練師桑子研。每天都是一場實驗。
「電會不會在途中消失呢?」——你曾經有過這樣單純的疑問嗎?其實,這正是理科課堂上學生常常卡住的重點。當電流通過電路中的電阻或小燈泡時,它會變少嗎?還是保持不變呢?這次,我們將作為歐姆定律實驗的前置準備,來介紹一個探究電流基本性質的實驗。這是電學課的第4節課紀錄。之前的學習內容可以參考以下連結。
用小燈泡來驗證!乾電池與電路的實驗
第4節課中,我們先用身邊常見的乾電池和小燈泡來組裝電路。透過改變乾電池的數量來調整電壓,並用電流計測量「小燈泡前後的電流大小是否改變」。 
首先我們先建立假設。將進入小燈泡前的電流記為I1,離開小燈泡後的電流記為I2,並思考I1與I2之間的關係。大約有三分之二的學生認為I1比I2大,三分之一認為兩者相同,還有少數人認為I2比較大。認為I1較大的理由,多半是覺得電在小燈泡中被「消耗」了;認為相同的學生則以血液流動作比喻,認為流動本身不會改變;而認為I2較大的學生,則是因為聽說過電流方向其實是相反的,因此推測數值可能變大。
今年開始導入一種叫做「迷你電流計」的小型裝置,讓整個電路變得非常清爽,測量位置一目了然。這種整齊感真的讓人驚艷!

實際進行實驗後的結果如下。

電流在小燈泡前後是不會改變的!這表示電並不是被消耗掉,而是能量轉換成光與熱,電荷(電子)本身仍持續在電路中循環流動。這就像水在水管中流動一樣,不會在途中消失。
接著我們把同樣的實驗改用電阻器來進行。結果與小燈泡完全相同!在電阻器前後,電流的大小依然沒有改變。這種性質可以稱為「電流守恆」,在串聯電路中,不論在哪個位置測量,電流都相同,這也是理解歐姆定律的重要基礎。
從小燈泡到電阻器——器材的進化改變實驗
小燈泡雖然直觀好懂,但有一個缺點,就是一旦超過額定電壓就會燒壞。因此在需要反覆改變電壓的實驗中並不理想。接下來,我們將改用更穩定的電阻器來進行實驗,正式和小燈泡說再見。
用電源裝置(Petit-X)自由控制電壓!
除了電阻器之外,另一個重大改變是導入電源裝置 Petit-X(プチエックス)。
電源裝置 Petit-X(プチエックス)

乾電池只能以1.5V為單位調整電壓,但使用電源裝置就可以自由細緻地控制電壓。這讓我們可以畫出平滑的電壓與電流關係圖,清楚觀察到歐姆定律(電壓=電流×電阻)中漂亮的正比關係。
使用Petit-X後,相較於大型電源設備,整體電路更加緊湊,配線也更簡潔,「哪裡接了什麼」變得一目了然。
實際用Petit-X在1.5V條件下重做實驗,也確認得到與乾電池相同的結果。而且乾電池會耗損需要更換,但Petit-X則沒有這個問題。於是,我們也正式和乾電池說再見。
完善的器材配置,不僅提升了實驗的精準度,也加深了學生的理解——這正是「工具改變實驗」的最佳例子。
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