“五讀俱全”圖解電學(xué)實(shí)驗(yàn)

陶漢斌

(浙江省金華第一中學(xué)，浙江 金華 321015)

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“五讀俱全”圖解電學(xué)實(shí)驗(yàn)

陶漢斌

(浙江省金華第一中學(xué)，浙江 金華 321015)

利用圖象來表達(dá)和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是學(xué)生應(yīng)該具備的一種高考能力.要求能夠識圖(從圖中獲取信息)、用圖(利用圖象法解題)、作圖(根據(jù)條件作圖).我們要學(xué)會“五讀俱全”——讀懂函數(shù)中的“點(diǎn)、線、面、截距和斜率”表示的物理意義，通過作圖，利用圖線求解物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)問題.

識圖;用圖;作圖;五讀俱全;實(shí)驗(yàn)圖線

在求解物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)問題時，常需聯(lián)列方程求解某個元件的工作電壓與工作電流.從數(shù)學(xué)理論上講兩個方程、二個未知數(shù)，就一定能求解出相關(guān)的物理量.但是，由于某些電學(xué)元件實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定性，實(shí)際上我們根本沒辦法根據(jù)方程進(jìn)行求解.我們可充分利用實(shí)驗(yàn)得到的系列數(shù)據(jù)，通過描點(diǎn)作圖畫出函數(shù)圖線，那么兩個函數(shù)圖線的交點(diǎn)就是我們所要求解的值.我們要學(xué)會“五讀俱全”——讀懂函數(shù)中的“點(diǎn)、線、面、截距和斜率”表示的物理意義，本文通過具體的幾個電學(xué)實(shí)驗(yàn)的案例，通過作圖，利用圖線求解物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)問題.

一、理論指導(dǎo)

利用圖線分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時，要根據(jù)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的原理,寫出相應(yīng)物理規(guī)律的原始公式. 電學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本原理是非常簡潔的.

利用這個公式可操作的實(shí)驗(yàn)有伏安法測電阻、測小燈泡伏安特性曲線、測金屬的電阻率.如果是一個定值電阻，那么電壓與電流之間的關(guān)系滿足正比例函數(shù)U=RI，相當(dāng)于數(shù)學(xué)函數(shù)y=kx，是線性關(guān)系.如果電阻是可變的，比如小燈泡的電阻隨著電壓的增大而增大，那么電壓與電流之間畫出的圖線彎曲，是非線性關(guān)系.

我們可將閉合回路歐姆定律演變成U=-rI+E，還是利用伏安法測電源電動勢和內(nèi)電阻.一般情況下我們認(rèn)為電源的電動勢E和內(nèi)電阻r是不變的，這時電壓與電流之間的關(guān)系滿足一次函數(shù)y=kx+b，通過觀察可知原來圖線斜率的絕對值就是內(nèi)電阻，縱坐標(biāo)上的截距就是電源的電動勢.

當(dāng)然我們必須尊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)描點(diǎn)作圖，不管是線性的還是非線性的，它們反映的都是客觀存在的規(guī)律.

二、典型案例欣賞

例1 如圖1所示中的圖線a是某電源的外特性曲線，圖線b是電阻R的伏安特性曲線，這個電源的內(nèi)阻等于____Ω.用這個電源和兩個電阻R串聯(lián)形成閉合電路，電源的輸出功率為____W.

點(diǎn)評技能 物理圖線能反映物理規(guī)律，本題中的U-I圖線都是一條直線,都是一次函數(shù),要讀懂圖線斜率和截距的物理意義.

例2 甲同學(xué)設(shè)計了如圖2所示的電路測電源電動勢E及電阻R1和R2阻值.實(shí)驗(yàn)器材有：待測電源E(不計內(nèi)阻)，待測電阻R1，待測電阻R2, 電壓表V(量程為1.5V，內(nèi)阻很大)，電阻箱R(0一99.99Ω) 單刀單擲開關(guān)S1，單刀雙擲開關(guān)S2，導(dǎo)線若干.

(1)先測電阻R1的阻值.請將甲同學(xué)的操作補(bǔ)充完整：閉合S1，將S2切換到a，調(diào)節(jié)電阻箱，讀出其示數(shù)r和對應(yīng)的電壓表示數(shù)Ul, 保持電阻箱示數(shù)不變，將開關(guān)S2切換到b，讀出電壓表的示數(shù)U2.則電阻R1的表達(dá)式為R1=____.

解析 我們可按照以下的解題程序進(jìn)行求解

1.列出原始公式

2.演變函數(shù)關(guān)系

3.尋找對應(yīng)關(guān)系

例3 表格中所列數(shù)據(jù)是測量小燈泡U—I關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

U/(V)0.00.20.51.01.52.02.53.0I/(A)0.0000.0500.1000.1500.1800.1950.2050.215

(1)在圖4方格紙內(nèi)畫出小燈泡的U—I曲線.

(2)將兩個上述小燈泡并聯(lián)在電動勢為1.5伏特，內(nèi)阻為2.0歐姆的某電池兩端，則每個小燈泡的實(shí)際功率為__W.

解析 根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，我們尊重每一組數(shù)據(jù)，通過描點(diǎn)，最后按照點(diǎn)的趨勢連接成平滑的曲線，如圖5所示.由圖線可知小燈泡的的U-I圖線都是一條曲線，是非線性關(guān)系，不同的工作點(diǎn)有不同的電阻.將兩個上述小燈泡并聯(lián)在電動勢為1.5伏特，內(nèi)阻為2.0歐姆的某電池兩端時，設(shè)每個小燈泡的電壓與電流為U和I，由閉合電路歐姆定律可得到U=-2rI+E，U=-4I+1.5畫出此直線方程的圖線，該圖線與原U-I曲線有一個交點(diǎn)，這個交點(diǎn)就是此時此刻燈泡的工作電壓與工作電流，即I=0.145AU=0.92V,每個小燈泡的功率約為0.133W.

點(diǎn)評技能 通過實(shí)驗(yàn)，小燈泡的伏安特征曲線是一條彎曲的平滑曲線，我們不可能寫出它的數(shù)學(xué)函數(shù)方程，但我們可畫出電源的路端電壓U和電流的I的一次函數(shù)圖線，得到的交點(diǎn)就是此時燈泡的工作電壓與工作電流.在畫圖時切記U和I必須是一個燈泡的電壓與電流.

例4 硅光電池是利用光電效應(yīng)原理制成的，可以利用太陽光產(chǎn)生電的器件.同學(xué)進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)一，用一定強(qiáng)度的光照射硅光電池如圖6，調(diào)節(jié)滑動變阻器，通過測量得到該電池的U-I曲線a，如圖7所示；實(shí)驗(yàn)二，減小“實(shí)驗(yàn)一”中光的強(qiáng)度，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測得U-I曲線b，如圖7所示.當(dāng)滑動變阻器的電阻為某值時，若“實(shí)驗(yàn)一”中的路端電壓為1.5V，保持外電路中電阻不變，則“實(shí)驗(yàn)二”中外電路消耗的電功率為____mW(1mW=10-3W，計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)

解析 硅光電池是把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N裝置，不同強(qiáng)度的光照射其電源的電動勢不同，內(nèi)阻也不同，我們通過實(shí)驗(yàn)得到電池的U-I圖線是平滑的曲線.若“實(shí)驗(yàn)一”中的路端電壓為1.5V，在曲線a中找到對應(yīng)的點(diǎn)，保持外電路中電阻不變，也就是將該點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)連接成一條直線，該直線與實(shí)驗(yàn)二中的曲線a有一個新的交點(diǎn)，交點(diǎn)的坐標(biāo)為(95μA,0.7V)，最終可得到電池的輸出功率為67 mW.

有圖有情景有真相，利用題目中呈現(xiàn)的圖片進(jìn)行解題，非常快捷有效.利用圖線進(jìn)行解題能夠更加直觀形象的表達(dá)物理概念和物理規(guī)律，描述物理過程時簡便清楚，解析某些物理問題時快捷全面.在識圖時要充分理解圖

線中“點(diǎn)、線、面”的物理內(nèi)涵.點(diǎn)：坐標(biāo)原點(diǎn)、截距點(diǎn)、交點(diǎn)、極值點(diǎn)、拐點(diǎn)；線：直線或曲線的斜率；面：圖線與坐標(biāo)軸所圍的面積.作圖——根據(jù)數(shù)據(jù)體驗(yàn)作圖，識圖——從圖中截取有效信息，用圖——利用圖象法解題，在作圖、識圖、用圖的思維過程中逐步提高學(xué)生的綜合分析能力.從選擇題的圖片升華到實(shí)驗(yàn)題的數(shù)據(jù)處理，從實(shí)驗(yàn)題作圖的操作到物理計算題圖線的過程之美，我們要學(xué)會賞識物理實(shí)驗(yàn)的圖線之美.

[1]浙江省基礎(chǔ)教育課程改革專業(yè)指導(dǎo)委員會.浙江省普通高中物理教學(xué)指導(dǎo)意見[M].杭州：浙江教育出版社，2014：41-44.

[責(zé)任編輯：閆久毅]

2017-05-01

陶漢斌(1968.12-),男,浙江金華，大學(xué)本科，中學(xué)高級教師，主要研究中學(xué)物理教學(xué)和高考物理.

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1008-0333(2017)16-0059-03