把握原理 培養(yǎng)能力 提高素養(yǎng)
——“描繪小燈泡伏安特性曲線”實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)的探討

(南京市中華中學(xué)，江蘇 南京 210019)

實(shí)驗(yàn)在高中物理中的重要性毋庸置疑，自然也是高考中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，因而師生對(duì)實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí)是高度重視，但復(fù)習(xí)效果往往不盡如人意.筆者認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)中教師首先要喚醒學(xué)生，明白“做什么”和“怎么做”，就是知曉實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容和操作；其次要引領(lǐng)學(xué)生解決“為什么這么做”、“還能怎樣做”，就是要理清實(shí)驗(yàn)原理，并能對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展、遷移；最后還要探索“還可以做什么”，就是應(yīng)用該實(shí)驗(yàn)開(kāi)展創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決一些實(shí)際問(wèn)題，以提高實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)的效果，進(jìn)而提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng).本文以“描繪小燈泡伏安特性曲線”實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)為例做一探討.

1 注重原理，明晰是非

“描繪小燈泡伏安特性曲線”是一個(gè)重要的探究性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)測(cè)量電路和控制電路的選擇、實(shí)驗(yàn)器材的選擇、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)采集、伏安特性曲線描繪，發(fā)現(xiàn)小燈泡的非線性特征，并分析其主要原因.學(xué)生對(duì)整個(gè)過(guò)程比較熟悉，但進(jìn)入實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)后，學(xué)生有了進(jìn)一步的思考，就出現(xiàn)了許多似是而非的問(wèn)題，需要我們從實(shí)驗(yàn)原理出發(fā)深入探究，以明晰是非.

(1)對(duì)于“3.8V 0.3A”的小燈泡，測(cè)量時(shí)如何選擇電壓表、電流表的量程？

對(duì)于“3.8V 0.3A”的小燈泡，電流表選用0—0.6A擋比較簡(jiǎn)單，而電壓表是選擇0—3V還是0—15V擋比較為難.實(shí)驗(yàn)研究表明，小燈泡在電壓為0—3V范圍內(nèi)變化時(shí)，足能反映出小燈泡燈絲電阻的非線性特性.在0—0.1V時(shí)基本呈線性，在0.1—0.4V時(shí)非線性最明顯，在0.4—3.8V時(shí)又近似呈線性.據(jù)此，電壓表量程應(yīng)選用0—3V擋，若選用0—15V擋，即使小燈泡電壓加到3.8V，電壓表的指針偏轉(zhuǎn)也達(dá)不到滿偏的1/3，實(shí)驗(yàn)讀數(shù)的精確性就不夠了.

圖1

(2)若已知電壓表、電流表中某一電表的內(nèi)阻，如何精確測(cè)量小燈泡的電阻?

圖2

(3)分壓電路中滑動(dòng)變阻器如何選擇？

圖3

本實(shí)驗(yàn)中要求加在小燈泡上的電壓從0開(kāi)始增大，所以滑動(dòng)變阻器要采用分壓接法，如圖3所示，當(dāng)滑片處于c處時(shí)，負(fù)載Rx上的電壓Ux與Rac及滑動(dòng)變阻器電阻R的關(guān)系為

圖4

當(dāng)Rx?R時(shí),Ux隨Rac的變化情況大致如圖線Ⅲ所示,負(fù)載Rx上的電壓Ux隨Rac的增大,開(kāi)始緩慢增大,后急劇上升,調(diào)節(jié)起來(lái)較為困難.因此,滑動(dòng)變阻器應(yīng)選擇阻值適當(dāng)較小且額定電流較大的一種，其Ux隨Rac的變化情況如圖中曲線Ⅱ部分,這樣描繪出的伏安特性曲線較為理想.

(4)如何調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，才能使描繪出來(lái)的曲線更準(zhǔn)確？

圖5是實(shí)驗(yàn)測(cè)量描繪的小燈泡伏安特性曲線，曲線表明:小燈泡在0.1V范圍內(nèi),伏安特性近似線性;在0.1—0.4V范圍內(nèi),伏安特性表現(xiàn)為非線性;在0.4—3V范圍內(nèi),伏安特性又近似為線性.所以在實(shí)驗(yàn)時(shí),在0—0.1V范圍內(nèi)要測(cè)量?jī)山M數(shù)據(jù),在0.1—0.4V范圍內(nèi)至少要測(cè)量3組數(shù)據(jù),在0.4以上,可測(cè)量3組數(shù)據(jù).這8組數(shù)據(jù)不應(yīng)8等分，前面電壓間隔要很小，0.4V以后，電壓間隔可以大些.另外,考慮到小燈泡電阻受燈絲溫度的影響,電壓要從小到大調(diào)節(jié).

圖5

(5)小燈泡的伏安特性曲線是I-U圖線還是U-I圖線？

在坐標(biāo)紙上畫(huà)伏安特性曲線時(shí),一般采用I-U圖線,而不是U-I圖線,主要是該實(shí)驗(yàn)中,加在小燈泡兩端的電壓U是自變量,而通過(guò)燈絲的電流I是應(yīng)變量.但在很多題目中是用U-I圖線來(lái)描述小燈泡的電流與電壓之間的關(guān)系，只要認(rèn)清圖線描述的變化規(guī)律就行.

(6)控制電路一定要采用分壓電路嗎？

實(shí)驗(yàn)中對(duì)控制電路選用的是分壓電路，是不是就不能用限流電路呢？我們不妨來(lái)試一下，選用“3.8V 0.3A”的小燈泡，可用大阻值的滑動(dòng)變阻器或電阻箱與之串聯(lián)后，調(diào)節(jié)阻值，可以采集到描繪小燈泡伏安特性曲線所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)(包括0—0.1V范圍內(nèi)讀取兩組數(shù)據(jù))，電阻的阻值從較大處開(kāi)始移動(dòng)，小燈泡兩端電壓先是緩慢增加，后較快增加，這一變化規(guī)律正符合本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的需要：先密后疏.在采用限流電路時(shí)能測(cè)得除“0V,0A”以外的所有數(shù)據(jù)，考慮到小燈泡兩端不加電壓時(shí)，流過(guò)的電流顯然為零，即這組數(shù)據(jù)是不測(cè)自得的.可見(jiàn)，本實(shí)驗(yàn)滑動(dòng)變阻器采用限流電路也是可行的，但選用分壓電路更簡(jiǎn)單些.

2 針對(duì)訓(xùn)練，提高能力

復(fù)習(xí)中要把考綱對(duì)該實(shí)驗(yàn)的要求進(jìn)行分解，結(jié)合相關(guān)例題進(jìn)行針對(duì)訓(xùn)練，切實(shí)提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、遷移能力和創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的提升.

(1)實(shí)驗(yàn)原理與操作

要掌握本實(shí)驗(yàn)的基本原理、基本技能，并能正確地用來(lái)解決一些實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題，如實(shí)物連線圖、電路圖，正確地進(jìn)行器材選擇，會(huì)分析伏安特性曲線等.

例1 某研究性學(xué)習(xí)小組為了制作一種傳感器，需要選用一電器元件.圖6為該電器元件的伏安特性曲線，有同學(xué)對(duì)其提出質(zhì)疑，需進(jìn)一步驗(yàn)證該伏安特性曲線，實(shí)驗(yàn)室備有下列器材：

圖6

器材(代號(hào))規(guī)格電流表(A1)電流表(A2)電壓表(V1)電壓表(V2)滑動(dòng)變阻器(R1)滑動(dòng)變阻器(R2)直流電源(E)開(kāi)關(guān)(S)導(dǎo)線若干量程0～50mA,內(nèi)阻約為50Ω量程0～200mA,內(nèi)阻約為10Ω量程0～3V,內(nèi)阻約為3kΩ量程0～15V,內(nèi)阻約為15kΩ阻值范圍0～15Ω,允許最大電流1A阻值范圍0～1kΩ,允許最大電流100mA輸出電壓6V,內(nèi)阻不計(jì)

①為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確程度，電流表應(yīng)選用；電壓表應(yīng)選用；滑動(dòng)變阻器應(yīng)選用.(以上均填器材代號(hào))

②為達(dá)到上述目的，請(qǐng)畫(huà)出正確的實(shí)驗(yàn)電路原理圖，并標(biāo)明所用器材的代號(hào).

③若發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的伏安特性曲線與圖中曲線基本吻合，請(qǐng)說(shuō)明該伏安特性曲線與小燈泡的伏安特性曲線有何異同點(diǎn)？

解析：①由圖6可知，電流的變化范圍在120mA左右，而電壓值在3V以內(nèi)，所以選擇200mA的電流表A2和3V的電壓表V1.由于繪制圖象的需要，要求電壓從0～3V之間調(diào)整，所以滑動(dòng)變阻器采用分壓電路，所以滑動(dòng)變阻器選擇一個(gè)最大電流較大阻值小的R1.

圖7

③相同點(diǎn)：通過(guò)該元件的電流與電壓的變化關(guān)系和通過(guò)小燈泡的電流與電壓的變化關(guān)系都是非線性關(guān)系.

不同點(diǎn)：該元件的電阻值隨電壓的升高而減小，而小燈泡的電阻值隨電壓的升高而增大.

(2)數(shù)據(jù)處理與分析

在數(shù)據(jù)處理與分析方面要求學(xué)生能對(duì)實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn)、連線，對(duì)伏安特性曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)規(guī)律.

例2 在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實(shí)驗(yàn)中，某同學(xué)測(cè)得電流-電壓的數(shù)據(jù)如下表所示：

電流I/mA2.75.412.419.527.836.447.156.169.681.793.2電壓U/V0.040.080.210.541.302.203.524.776.909.1211.46

①用上表數(shù)據(jù)描繪電壓隨電流的變化曲線；

②為了探究燈絲電阻與溫度的關(guān)系，已作出電阻隨電流的變化曲線如圖8所示，請(qǐng)指出圖線的特征，并解釋形成的原因.

圖8

圖9

解析：①小燈泡的電壓隨電流的變化曲線見(jiàn)圖9.

②電阻隨電流變化存在三個(gè)區(qū)間，電阻隨電流的變化快慢不同.第一區(qū)間電流很小時(shí)，電阻變化不大；第二區(qū)間燈絲溫度升高快，電阻增大快；第三區(qū)間由于部分電能轉(zhuǎn)化為光能，燈絲溫度升高變慢，電阻增大也變慢.

(3)伏安特性曲線的應(yīng)用

要能應(yīng)用伏安特性曲線分析處理一些實(shí)際問(wèn)題，比如，分析電阻變化的情況下物理量之間的變化關(guān)系，求小燈泡實(shí)際消耗的電功率等.

圖10

例3 在“描繪小燈炮的伏安特性曲線”的實(shí)驗(yàn)中，利用實(shí)驗(yàn)中得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪出了小燈泡的伏安特性曲線如圖10．根據(jù)此圖給出的信息，可以判斷出下圖中正確的是(圖中P為小燈泡功率)( ).

例4 由實(shí)驗(yàn)得到小燈泡的伏安特性曲線如圖11中b線．將該小燈泡與一干電池組成閉合回路，該電池兩極間的電壓隨電路中電流的變化關(guān)系圖線如圖中a線所示，則小燈泡與電池連接后的實(shí)際功率為_(kāi)_________W；若再將一阻值為0.75Ω的電阻串聯(lián)在電路中，則小燈泡的實(shí)際功率為W．

圖11

解析：小燈泡的電流與電壓之間的關(guān)系遵從圖中b線，而小燈泡在閉合電路中其電流與電壓之間的關(guān)系又遵從圖中a線，同時(shí)滿足的只有在兩條線的交點(diǎn)處，即小燈泡的工作電流為1.3A，工作電壓為0.6V，所以小燈泡的實(shí)際功率為P=UI=0.6×1.3W=0.78W.

由a線可知，電源的電動(dòng)勢(shì)為1.5V,內(nèi)阻為0.75Ω，若再將一阻值為0.75Ω的電阻串聯(lián)在電路中，則電池兩極間的電壓隨電路中電流的變化關(guān)系為U=1.5-1.5I在圖中作出該線(如圖12)，找出與b線的交點(diǎn)，即可知小燈泡的電流為0.9A，電壓為0.3V，則此時(shí)小燈泡的實(shí)際功率為P=UI=0.3×0.9W=0.27W

圖12

(4)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新

創(chuàng)新是建立在對(duì)以往經(jīng)驗(yàn)與規(guī)律的深刻理解基礎(chǔ)上，做出的一種延伸、拓展與探究的行為.對(duì)本實(shí)驗(yàn)給予一定的改變，如將本實(shí)驗(yàn)中的小燈泡變換為熱敏電阻、二極管、電動(dòng)機(jī)等，將小燈泡的伏安特性研究變換為電功率與電壓之間關(guān)系等，就是對(duì)本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新.使實(shí)驗(yàn)源于課本，高于課本而又不脫離課本，正是實(shí)驗(yàn)命題的一個(gè)基本原則.

例5 為探究小燈泡的電功率P和電壓U的關(guān)系，小明測(cè)量小燈泡的電壓U和電流I，利用P=UI得到電功率.實(shí)驗(yàn)所使用的小燈泡規(guī)格為“3.0V 1.8W”，電源為12V的電池，滑動(dòng)變阻器的最大阻值為10Ω.

圖13

①準(zhǔn)備使用的實(shí)物電路如圖13所示，請(qǐng)將滑動(dòng)變阻器接入電路的正確位置.(用筆畫(huà)線代替導(dǎo)線)

現(xiàn)有10Ω、20Ω和50Ω的定值電阻，電路中的電阻R1應(yīng)選Ω的定值電阻.

③測(cè)量結(jié)束后，應(yīng)先斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，拆除兩端的導(dǎo)線，再拆除其他導(dǎo)線，最后整理好器材.

小明處理數(shù)據(jù)后將P、U2描點(diǎn)在坐標(biāo)紙上，并作出了一條直線，如圖14所示.請(qǐng)指出圖象中不恰當(dāng)?shù)牡胤?

圖14

解析：①實(shí)物電路連線見(jiàn)圖15.

圖15

②R1應(yīng)選10Ω的定值電阻，在選擇電阻的時(shí)候，要能保護(hù)電路的同時(shí)，還要考慮電阻分的的電壓合適，能使燈泡正常發(fā)光.

③拆除電池兩端的導(dǎo)線，從實(shí)驗(yàn)的安全性和實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性考察.

④圖線不應(yīng)畫(huà)為直線;橫坐標(biāo)的標(biāo)度不恰當(dāng).

實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生智力發(fā)展和能力培養(yǎng)具有重要作用，實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)中應(yīng)在堅(jiān)持正確理解實(shí)驗(yàn)原理的前提下，通過(guò)具體問(wèn)題的研究培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α⑺季S能力和創(chuàng)造能力，進(jìn)而提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

陳正毛．做“描繪小燈泡的伏安特性曲線”實(shí)驗(yàn)應(yīng)注意的若干問(wèn)題[J]．物理教師，2004，(9)．