關(guān)于歐姆定律適用條件的討論分析

甘長(zhǎng)青

【摘 要】本文就歐姆定律的適用條件進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，并基于能量守恒認(rèn)知?dú)W姆定律，本文研究尚存不足，僅供參考。

【關(guān)鍵詞】歐姆定律；適用條件；能量守恒

引言

歐姆定律是由德國(guó)物理學(xué)家喬治·西蒙·歐姆所提出的定律。他指出，在同一電路中，通過(guò)某段導(dǎo)體的電流與該導(dǎo)體兩端電壓成正比，與該導(dǎo)體電阻成反比。歐姆定律及其公式的發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)了物理學(xué)的進(jìn)步，為電學(xué)帶來(lái)極大便利。為促進(jìn)歐姆定律得到正確的理解和應(yīng)用，積極探討歐姆定律適用條件是非常必要的。

一、歐姆定律的內(nèi)容分析

歐姆定律指出，導(dǎo)體中電流與該導(dǎo)體兩端電壓成正比，與導(dǎo)體電阻成反比。公式表示為：I=U/R，其中，U表示電壓，單位為伏特V；R表示電阻，單位為歐姆Ω；I表示電流，單位為安培A。歐姆定律在純電阻電路中具有良好的適用性，以金屬與溶液進(jìn)行導(dǎo)電。應(yīng)當(dāng)注意的是，對(duì)于氣體導(dǎo)電或含有電動(dòng)機(jī)、電解槽等的非純電阻電路，歐姆定律不具備適用性。

二、歐姆定律適用條件討論分析

關(guān)于歐姆定律適用條件的討論分析，有一種觀點(diǎn)對(duì)于“伏安法測(cè)燈泡電阻”的科學(xué)性提出質(zhì)疑。“伏安法測(cè)燈泡電阻”實(shí)驗(yàn)是初中物理教學(xué)中的典型實(shí)驗(yàn)，考試中也存在類似的題目，但是在深入研究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，小燈泡自身具備電能轉(zhuǎn)化熱能和光能的作用。而歐姆定律中指出，純電阻電路在促進(jìn)電能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，要求轉(zhuǎn)化的全部性，并不存在轉(zhuǎn)化為其他形式能量的電路，此種情況下，“伏安法測(cè)燈泡電阻”與歐姆定律的規(guī)定相背離，該如何解釋這一問(wèn)題呢？

關(guān)于歐姆定律適用條件的討論分析，還有另外一種觀點(diǎn)，對(duì)“歐姆定律適用于金屬，是全部金屬嗎？”這一觀點(diǎn)提出疑問(wèn)。通過(guò)學(xué)習(xí)物理學(xué)知識(shí)可知，電阻是物質(zhì)自身的一種物理性質(zhì)，在不同溫度條件下電阻大小也會(huì)隨之發(fā)生變化，此時(shí)，若電阻大小存在變化，是否其性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性元件？此時(shí)所產(chǎn)生的矛盾問(wèn)題有待進(jìn)一步討論。

三、科學(xué)理解歐姆定律

通過(guò)研究我們發(fā)現(xiàn)，歐姆定律自身具有一定特性，比如上文提到的“伏安法測(cè)燈泡電阻”案例，小燈泡自身發(fā)光原理不可忽視，通過(guò)電能-內(nèi)能-光能三個(gè)環(huán)節(jié)，完成了整個(gè)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，最終得以發(fā)光。就純電阻電路來(lái)看，其將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，由此可知“伏安法測(cè)燈泡電阻”存在科學(xué)性，小燈泡發(fā)光原理與純電阻電路能量轉(zhuǎn)化并不矛盾，區(qū)別在于小燈泡將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能后再次轉(zhuǎn)化為光能。小燈泡燈絲是由鎢絲構(gòu)成的，鎢絲屬于金屬材料中的一種，導(dǎo)體本身具備電阻性質(zhì)，而導(dǎo)體材料、長(zhǎng)度、溫度與橫截面等要素則是影響電阻大小的主要因素，而導(dǎo)體兩端電壓和導(dǎo)體中電流并不會(huì)對(duì)電阻產(chǎn)生影響，電阻是客觀存在的。

關(guān)于“歐姆定律適用于金屬，是全部金屬嗎？”這一問(wèn)題，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是金屬電阻變化問(wèn)題。由于歐姆定律具有一定對(duì)應(yīng)性特征，在一定條件下，瞬間電流通過(guò)電阻時(shí)，電阻兩端存在電壓，而此時(shí)瞬間電流與電阻兩端電壓成正比。也就是說(shuō)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中瞬間電流與電阻兩端電壓比值固定，不會(huì)受到電阻變化的影響，二者是正相關(guān)的。當(dāng)導(dǎo)體電阻本身固定時(shí)，在導(dǎo)體兩端加上電壓，才會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)形成電流，此時(shí)電流會(huì)受到電阻和電壓的雙重影響，這一影響可通過(guò)歐姆定律進(jìn)行分析。歐姆定律中I、U、R三個(gè)物理量應(yīng)當(dāng)保持電流、電壓與電阻之間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，也就是說(shuō)，實(shí)驗(yàn)大環(huán)境應(yīng)當(dāng)為同一導(dǎo)體或同一段電路在相同時(shí)刻或時(shí)間段內(nèi)。由此可知，歐姆定律具有較強(qiáng)的同一性和同時(shí)性。在歐姆定律實(shí)際應(yīng)用中，需準(zhǔn)確把握歐姆定律的適用條件。

四、基于能量守恒認(rèn)識(shí)歐姆定律

為深入理解歐姆定律并掌握其適用條件，應(yīng)當(dāng)從能量守恒角度入手進(jìn)行分析。焦耳定律對(duì)電阻進(jìn)行定義，這一條件下電阻也可稱作熱電阻，在能量守恒條件下，電爐等純電阻元件在運(yùn)行中促進(jìn)電能向熱能的完全轉(zhuǎn)化，在能量守恒條件下，可得公式IU=IR，在對(duì)公式進(jìn)行簡(jiǎn)化后，可以約去一個(gè)I，得到U=IR，經(jīng)過(guò)變形，可得到公式I=U/R。而以電動(dòng)機(jī)為代表的非純電阻元件在運(yùn)行過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)電能向其他形式能量的轉(zhuǎn)化，在能量守恒條件下，可得到公式IU=P其他+IR，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化發(fā)現(xiàn)IU>IR，對(duì)公式進(jìn)行簡(jiǎn)化后可約去一個(gè)I，進(jìn)而得到U>IR，對(duì)該公式進(jìn)行變形，即可得到I

研究發(fā)現(xiàn)，若元器件滿足歐姆定律，其電流與加之兩端的電壓成正比，則伏安特性曲線為一條直線，且這直線過(guò)原點(diǎn)，由此可知，滿足歐姆定律的元器件一定為線性元件。該元器件的材料可以是金屬或電解液等，但并不表示由這兩種材料所制成的元器件就能夠滿足歐姆定律。所有均勻材料均是在電壓值的某個(gè)區(qū)間內(nèi)遵循歐姆定律，而導(dǎo)電材料電阻率與所加電壓無(wú)關(guān)時(shí)，則材料遵循歐姆定律。在溫度極低的情況下，電子導(dǎo)體往往會(huì)從正常態(tài)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，導(dǎo)體電阻消失，此時(shí)不加電壓也可存在電流，因而歐姆定律不具適用性。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可知，歐姆定律具有良好的應(yīng)用價(jià)值，能夠清晰表達(dá)電壓與電流之間的內(nèi)在聯(lián)系，使得電路研究工作更具便捷性和高效性。為更好的應(yīng)用歐姆定律，應(yīng)掌握歐姆定律的適用條件，基于能量守恒認(rèn)知?dú)W姆定律，并科學(xué)理解其應(yīng)用方式，從而推進(jìn)物理學(xué)與電學(xué)研究的不斷深入。

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