問題導引激發思維 追根溯源提升素養
——用傳感器和DataStudio軟件探究小電珠的伏安特性曲線

夏良英 王云天

(1. 廣東省龍華高級中學，廣東 深圳 518109； 2. 廣東省華南理工大學，廣東 廣州 510641)

物理學科核心素養中“科學探究”是指基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋,以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力．科學探究主要包括問題、證據、解釋、交流等4個要素．

1 引言

筆者帶領學生利用傳感器探究小電珠的伏安特性曲線,進行了如下實驗.

圖1

(1) 實驗目的.

用傳感器和DataStudio軟件探究小電珠的伏安特性曲線(如圖1所示，U-I圖像).

(2) 實驗原理.

利用電壓和電流傳感器,測量出小電珠的電壓值和電流值,用DataStudio軟件處理數據,繪出U-I圖像．

(3) 實驗器材.

干電池4節，導線若干，開關，滑動變阻器，小電珠，數據采集器，電壓傳感器，電流傳感器，計算機．

(4) 實驗裝置圖(如圖2所示).

圖2 實驗電路圖

圖3 實物電路圖

(5) 實驗過程.

① 如圖3所示連接好電路、數據采集器和計算機．

② 打開DataStudio軟件,創建實驗,在“文件”窗口中新建活動,顯示圖表．

③ 啟動傳感器,并調節滑動變阻器,讓小電珠兩端的電壓從零開始增大到最大值,計算機記錄下相應的圖像(如圖4)．

圖4

學生提出問題:利用傳感器和DataStudio軟件繪制出的小電珠伏安特性曲線與傳統實驗得到的曲線存在差異．

從圖4中可以看出,在電壓為0～1 V之間增大時,圖像的斜率逐漸增大,說明小電珠的電阻逐漸增大;但當電壓在1.5～2.5 V之間時,小電珠的電流大小卻幾乎不變,說明電阻變化很大;電壓大于2.5 V之后,隨著電壓的增大,電流又開始增大,從最后一段圖像的斜率來看,電阻又幾乎不變．傳感器和DataStudio軟件描繪出來的伏安特性曲線和理論曲線相差竟如此之大．針對這一問題,筆者鼓勵學生分析產生這一現象的原因,設計實驗來探尋問題的真相．

學生們進行小組討論得出可能的原因有以下幾點: (1) 傳感器質量、電腦軟件問題．經過更換傳感器,對其它定值電阻的測量、繪圖,排除該原因．(2) 偶然誤差．解決辦法:多次實驗．(3) 在與傳統實驗操作中對比發現,利用傳感器實驗時間較快,會不會因為移動滑動變阻器的速度影響．解決辦法:改變移動滑動變阻器的速度．

2 問題導引激發思維

為了論證上述分析原因,筆者進行了多次實驗,并改變移動滑動變阻的速度和滑動的方向,在同一個坐標中得到了圖5的曲線．

圖5

分析1: 通過多次實驗得到了跟圖4類似的曲線,排除了偶然誤差的影響．

分析2: 滑動變阻器移動快慢對伏安特性曲線有影響.

從圖5中可以看出,當滑動變阻器移動速度不同,小電珠兩端的電壓增大的快慢就不同,結果繪出的伏安特性曲線也不同．移動速度越快(右邊的曲線,計數點少,時間短),曲線越靠右,電壓為2.5 V左右,小電珠的電流最大,電壓大于2.5 V之后,電流反而會減小.這說明小電珠的電阻迅速變大．滑動變阻器移動越慢,曲線越靠左,當移動速度較慢時,電壓在1～1.5 V左右時,電流最大,隨后電流略有減小,然后幾乎不變,2.5 V以后開始呈現增大趨勢．

分析3:反向移動滑動變阻器得到特殊的伏安特性曲線.

值得一提的是,當我們反向移動滑動變阻器時(即減小小電珠兩端的電壓),從圖5中我們可以看到,其伏安特性曲線與正向移動的伏安特性曲線相距甚遠．對反向移動的伏安特性曲線仔細分析,我們發現其圖像曲線近似為一條直線．這一發現,讓我們感到驚訝,這是什么原因導致的呢?

3 追根搠源提升素養

由于影響小電珠電阻的直接原因是溫度,滑動變阻器正向移動時,小電珠兩端的電壓增大,溫度逐漸升高,電阻增大．根據小電珠的這一特性和上述實驗得到的圖像．我們做出如下總結．

(1) 當緩慢移動滑動變阻器時,由于小電珠兩端電壓變化較慢,小電珠的電阻絲充分發熱,溫度能夠接近該電壓的“飽和溫度”(由于小電珠發熱的同時也在向外放熱,因此,不同的電壓值將會有對應小電珠的一個平衡溫度)．當電壓在0～1 V之間時,小電珠的電流較小,功率小,溫度較低,故對小電珠的電阻影響不大,所以得到的圖像近似為一條直線．當電壓逐漸升高,小電珠的溫度明顯升高,故電阻迅速增大,因而出現了1～2 V之間的電壓增大,電流反而減小的曲線．當電壓再繼續升高,電阻也會繼續升高,但此時的幅度沒有1～2 V之間那么大了,因而出現了2.5 V以后的曲線．

當滑動變阻器快速移動時,小電珠在低電壓情況下來不及達到“飽和溫度”,故一開始的直線區域較長(0～2 V),2 V以后曲線的斜率明顯變化,說明小電珠此時溫度較高,電阻變化明顯．

最終,當滑動變阻器停下,小電珠發熱達到該電壓下的“飽和溫度”,各種情況下小電珠的伏安特性曲線都交于同一點．

(2) 對于反向移動滑動變阻器(即小電珠兩端的電壓減小)的曲線,由于小電珠向外放熱的速度較慢(導致小電珠沒有充分放熱),所以電壓減小時,溫度并沒有降低太多,此時小電珠的電阻沒有太大變化,伏安特性曲線近似為一條直線．

(3) 從圖5中的曲線仔細分析可發現,反向移動滑動變阻器得到的伏安特性曲線與非常緩慢正向移動滑動變阻器的伏安特性曲線很接近,斜率也近似相同．分析原因,應該是正向緩慢移動滑動變阻器時,當電壓達到一定值后,溫度較高,此時小電珠向外散熱量較大(而且散熱較充分),導致電壓再升高時,溫度并沒有明顯升高,小電珠的電阻沒有明顯變化．

(4) 綜合圖5中的各條正向移動曲線,我們會發現如果將各次實驗結果取平均值再繪制曲線,其形狀就與傳統實驗曲線相近了．說明,不管是傳統實驗也好,還是傳感器實驗,本著認真、科學的實驗態度去做實驗,最終得到的實驗結果應該是相近的．