圖像法在電學實驗中的考察

　　摘要：隨著新課標的逐步實行、研究性學習的深入開展、物理教學中DIS的應用及其它現代教育技術的推廣，物理學科對學生的能力培養、評價方式，特別是高考能力要求的轉變，使近年高考圖像題出現的頻率較高、要求加深。由于圖像法解題具有簡明、快捷、準確等優點，所以有關以圖像及其運用為背景的命題，成為歷屆高考考查的熱點。
　　關鍵詞：高考題；圖像法；電學實驗；讀圖；作圖；用圖
　　中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148(2011)7(S)-0053-3
　　
　　圖像試題的設計意圖明顯由“注重由圖像獲取信息、對狀態的判斷”轉化為“注重對過程的理解和處理”、“注重對實驗數據的分析及得出結論”、“注重用數形結合的思想進行邏輯推理、分析、評價”。利用物理圖像分析物理實驗，這不僅可以避免繁雜的計算，較快地找出物理的發展規律或需求物理量，也可用來定性地分析誤差。因此我將2010年高考電學實驗題中考查的圖像問題歸類整理。希望對大家有所幫助。
　　在實驗題中一般從三個角度考察學生應用圖像的能力。即：讀圖能力、作圖能力、用圖分析能力。
　　1 讀圖能力的考察
　　例1（安徽卷） 21．Ⅱ．太陽能是一種清潔、“綠色”能源。在我國上海舉辦的2010年世博會上，大量利用了太陽能電池。太陽能電池在有光照時，可以將光能轉化為電能，在沒有光照時，可以視為一個電學器件。某實驗小組根據測繪小燈泡伏安特性曲線的實驗方法，探究一個太陽能電池在沒有光照時（沒有儲存電能）的IU特性。所用的器材包括：太陽能電池，電源E，電流表A，電壓表V，滑動變阻器R，開關S及導線若干。
　　（1）為了達到上述目的，請將圖1連成一個完整的實驗電路圖。
　　（2）該實驗小組根據實驗得到的數據，描點繪出了如圖2的IU圖像。由圖可知，當電壓小于2.00V時，太陽能電池的電阻______（填“很大”或“很小”）；當電壓為2.80V時，太陽能電池的電阻約為______Ω。
　　答案 （1）如圖3所示；（2）很大；1.0×103（965～1040）。
　　點評 該題根據測繪小燈泡伏安特性曲線的實驗方法，探究一個太陽能電池在沒有光照時（沒有儲存電能）的IU特性。該題在教材中測繪小燈泡伏安特性曲線的實驗的基礎上稍作變化，要求正確解讀該IU圖像，并從圖中讀出電池內阻與圖像的關系。
　　2 作圖能力的考察
　　例2（浙江卷） 21.Ⅱ.在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實驗中，某同學測得電流電壓的數據如表1所示：
　　（1）用上表數據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系，已作出電阻隨電流的變化曲線如圖4所示：請指出圖線的特征，并解釋形成的原因。
　　
　　答案 Ⅱ.（1）如圖5所示。
　　
　　（2）電阻隨電流增大；
　　存在三個區間，電阻隨電流的變化快慢不同；
　　第一區間電流很小時，電阻變化不大；第二區間燈絲溫度升高快，電阻增大快；第三區間部分電能轉化為光能，燈絲溫度升高變慢，電阻增大也變慢。
　　點評 該題要求學生能利用題中信息描點，連線，能畫出一條平滑的曲線。此外，該題第二問，要求學生能準確恰當地描述圖線給出的信息，并理解該信息。既考察了學生的作圖能力，又考察了學生的讀圖能力，并能準確理解圖像含義。考察較全面。
　　3 用圖分析能力的考察
　　例3（重慶卷） 22.（2）分別測得兩只燈泡L1和L2的伏安特性曲線，如圖7中Ⅰ和Ⅱ所示。然后將燈泡L1、L2與電池組（電動勢和內阻均恒定）連成圖6所示電路。多次測量后得到通過L1和L2的電流平均值分別為0.30A和0.60A。
　　A.在圖7中畫出電池組路端電壓U和電流I的關系曲線。
　　B.由該曲線可知電池組的電動勢為____V，內阻為______Ω。（取2位有效數字）
　　答案 A.如圖8所示。
　　B.4.6V，2.7Ω。
　　解析 ③描繪電源的伏安特性曲線要求外電阻變化測定對應的多組路端電壓和電流，本實驗中用兩個小燈泡來改變外電阻獲得兩組電流值，然后在小燈泡的伏安特性曲線上查出對應的電壓，用兩個坐標點描繪圖像。為描繪準確可以先進行理論計算，首先查出兩坐標為（0.30A，3.8V）和（0.60A，3.0V），然后連接該兩點即電池組路端電壓U和電流I的關系曲線。由U=E-Ir知電池組U和電流I的關系曲線的縱軸截距為電池組電動勢4.6V，斜率絕對值為電池組內阻為2.7Ω。
　　點評 該題考察同學們對部分電路UI圖像與閉合電路UI圖像的區別與聯系，理解閉合電路UI圖像，并利用圖像的截距與斜率的物理意義得出電池的電動勢E與內阻r。難度：較難。
　　例4（江蘇卷） 10、在測量電源的電動勢和內阻的實驗中，由于所用的電壓表（視為理想電壓表）的量程較小，某同學涉及了如圖9所示的實物電路。
　　（3）根據實驗數據描點，繪出的1UR圖像是一條直線。若直線的斜率為k，在1U坐標軸上的截距為b，則該電源的電動勢E=________，內阻r=______（用k、b和R0表示）。
　　答案 （3）1kR0;bk-R0
　　解析 (3) 電流I=UR0，E=I(R+R0+r)，得1U=1ER0R+1E+rER0，1UR圖像的斜率k=1ER0，截距b=1E+rER0，所以電動勢E=1kR0，內阻r=bk-R0
　　點評 該題是用伏阻法測電源的電動勢和內阻，本題雖然沒有出現圖像，但利用了閉合電路1UR圖像的意義，并根據圖像求物理量。難度：較難。
　　高中物理圖像是數與形相結合的產物，圖像題目是高考熱點。在課堂教學中，教師要有意識的培養學生利用圖像法解決物理問題的能力，加強作圖方法指導，除了要求學生掌握實驗原理，也要引導學生學會用公式與圖像兩種方法同時研究同一物理現象，并能用圖像法處理實驗數據，通過作圖理解意義，這符合新課程標準和培養目標的要求，體現了高考題的引導作用。
　　參考文獻:
　　［1］2010年各地高考題
　　(欄目編輯王柏廬)