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”實驗復習的探討

(南京市中華中學，江蘇 南京 210019)

實驗在高中物理中的重要性毋庸置疑，自然也是高考中的一個重點和難點，因而師生對實驗的復習是高度重視，但復習效果往往不盡如人意.筆者認為，實驗復習中教師首先要喚醒學生，明白“做什么”和“怎么做”，就是知曉實驗目的、內(nèi)容和操作；其次要引領學生解決“為什么這么做”、“還能怎樣做”，就是要理清實驗原理，并能對該實驗進行拓展、遷移；最后還要探索“還可以做什么”，就是應用該實驗開展創(chuàng)新設計，解決一些實際問題，以提高實驗復習的效果，進而提高學生的實驗素養(yǎng).本文以“描繪小燈泡伏安特性曲線”實驗復習為例做一探討.

1 注重原理，明晰是非

“描繪小燈泡伏安特性曲線”是一個重要的探究性實驗，學生通過測量電路和控制電路的選擇、實驗器材的選擇、實驗操作、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.學生對整個過程比較熟悉，但進入實驗復習后，學生有了進一步的思考，就出現(xiàn)了許多似是而非的問題，需要我們從實驗原理出發(fā)深入探究，以明晰是非.

(1)對于“3.8V 0.3A”的小燈泡，測量時如何選擇電壓表、電流表的量程？

對于“3.8V 0.3A”的小燈泡，電流表選用0—0.6A擋比較簡單，而電壓表是選擇0—3V還是0—15V擋比較為難.實驗研究表明，小燈泡在電壓為0—3V范圍內(nèi)變化時，足能反映出小燈泡燈絲電阻的非線性特性.在0—0.1V時基本呈線性，在0.1—0.4V時非線性最明顯，在0.4—3.8V時又近似呈線性.據(jù)此，電壓表量程應選用0—3V擋，若選用0—15V擋，即使小燈泡電壓加到3.8V，電壓表的指針偏轉也達不到滿偏的1/3，實驗讀數(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，如何精確測量小燈泡的電阻?

圖2

(3)分壓電路中滑動變阻器如何選擇？

圖3

本實驗中要求加在小燈泡上的電壓從0開始增大，所以滑動變阻器要采用分壓接法，如圖3所示，當滑片處于c處時，負載Rx上的電壓Ux與Rac及滑動變阻器電阻R的關系為

圖4

當Rx?R時,Ux隨Rac的變化情況大致如圖線Ⅲ所示,負載Rx上的電壓Ux隨Rac的增大,開始緩慢增大,后急劇上升,調(diào)節(jié)起來較為困難.因此,滑動變阻器應選擇阻值適當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)滑動變阻器，才能使描繪出來的曲線更準確？

圖5是實驗測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.所以在實驗時,在0—0.1V范圍內(nèi)要測量兩組數(shù)據(jù),在0.1—0.4V范圍內(nèi)至少要測量3組數(shù)據(jù),在0.4以上,可測量3組數(shù)據(jù).這8組數(shù)據(jù)不應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？

在坐標紙上畫伏安特性曲線時,一般采用I-U圖線,而不是U-I圖線,主要是該實驗中,加在小燈泡兩端的電壓U是自變量,而通過燈絲的電流I是應變量.但在很多題目中是用U-I圖線來描述小燈泡的電流與電壓之間的關系，只要認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？

實驗中對控制電路選用的是分壓電路，是不是就不能用限流電路呢？我們不妨來試一下，選用“3.8V 0.3A”的小燈泡，可用大阻值的滑動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始移動，小燈泡兩端電壓先是緩慢增加，后較快增加，這一變化規(guī)律正符合本實驗數(shù)據(jù)采集的需要：先密后疏.在采用限流電路時能測得除“0V,0A”以外的所有數(shù)據(jù)，考慮到小燈泡兩端不加電壓時，流過的電流顯然為零，即這組數(shù)據(jù)是不測自得的.可見，本實驗滑動變阻器采用限流電路也是可行的，但選用分壓電路更簡單些.

2 針對訓練，提高能力

復習中要把考綱對該實驗的要求進行分解，結合相關例題進行針對訓練，切實提高學生的實驗能力、遷移能力和創(chuàng)新能力，促進學生實驗素養(yǎng)的提升.

(1)實驗原理與操作

要掌握本實驗的基本原理、基本技能，并能正確地用來解決一些實驗中的問題，如實物連線圖、電路圖，正確地進行器材選擇，會分析伏安特性曲線等.

例1 某研究性學習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，有同學對其提出質(zhì)疑，需進一步驗證該伏安特性曲線，實驗室備有下列器材：

圖6

器材(代號)規(guī)格電流表(A1)電流表(A2)電壓表(V1)電壓表(V2)滑動變阻器(R1)滑動變阻器(R2)直流電源(E)開關(S)導線若干量程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

①為提高實驗結果的準確程度，電流表應選用；電壓表應選用；滑動變阻器應選用.(以上均填器材代號)

②為達到上述目的，請畫出正確的實驗電路原理圖，并標明所用器材的代號.

③若發(fā)現(xiàn)實驗測得的伏安特性曲線與圖中曲線基本吻合，請說明該伏安特性曲線與小燈泡的伏安特性曲線有何異同點？

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，所以滑動變阻器采用分壓電路，所以滑動變阻器選擇一個最大電流較大阻值小的R1.

圖7

③相同點：通過該元件的電流與電壓的變化關系和通過小燈泡的電流與電壓的變化關系都是非線性關系.

不同點：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生能對實驗采集的數(shù)據(jù)進行描點、連線，對伏安特性曲線進行分析，發(fā)現(xiàn)規(guī)律.

例2 在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實驗中，某同學測得電流-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系，已作出電阻隨電流的變化曲線如圖8所示，請指出圖線的特征，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圖9.

②電阻隨電流變化存在三個區(qū)間，電阻隨電流的變化快慢不同.第一區(qū)間電流很小時，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)伏安特性曲線的應用

要能應用伏安特性曲線分析處理一些實際問題，比如，分析電阻變化的情況下物理量之間的變化關系，求小燈泡實際消耗的電功率等.

圖10

例3 在“描繪小燈炮的伏安特性曲線”的實驗中，利用實驗中得到的實驗數(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 由實驗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系圖線如圖中a線所示，則小燈泡與電池連接后的實際功率為__________W；若再將一阻值為0.75Ω的電阻串聯(lián)在電路中，則小燈泡的實際功率為W．

圖11

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

由a線可知，電源的電動勢為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，即可知小燈泡的電流為0.9A，電壓為0.3V，則此時小燈泡的實際功率為P=UI=0.3×0.9W=0.27W

圖12

(4)實驗改進與創(chuàng)新

創(chuàng)新是建立在對以往經(jīng)驗與規(guī)律的深刻理解基礎上，做出的一種延伸、拓展與探究的行為.對本實驗給予一定的改變，如將本實驗中的小燈泡變換為熱敏電阻、二極管、電動機等，將小燈泡的伏安特性研究變換為電功率與電壓之間關系等，就是對本實驗的改進與創(chuàng)新.使實驗源于課本，高于課本而又不脫離課本，正是實驗命題的一個基本原則.

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

圖13

①準備使用的實物電路如圖13所示，請將滑動變阻器接入電路的正確位置.(用筆畫線代替導線)

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

③測量結束后，應先斷開開關，拆除兩端的導線，再拆除其他導線，最后整理好器材.

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

圖14

解析：①實物電路連線見圖15.

圖15

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

③拆除電池兩端的導線，從實驗的安全性和實驗操作的規(guī)范性考察.

④圖線不應畫為直線;橫坐標的標度不恰當.

實驗對學生智力發(fā)展和能力培養(yǎng)具有重要作用，實驗復習中應在堅持正確理解實驗原理的前提下，通過具體問題的研究培養(yǎng)學生的實驗能力、思維能力和創(chuàng)造能力，進而提升學生的實驗素養(yǎng).

參考文獻：

陳正毛．做“描繪小燈泡的伏安特性曲線”實驗應注意的若干問題[J]．物理教師，2004，(9)．