利用Dislab解析初中電學圖象問題

孫東振

摘? ?要：電學圖象可以幫助學生更加直觀深刻地理解電路，是學生電學學習的語言和工具。以典型電學題為例，通過Dislab實驗畫出其圖象，解析圖中的各種物理意義。體現(xiàn)傳感器在電學實驗教學中探究性強的特點，讓課堂教學更加生動，更加高效。

關(guān)鍵詞：初中物理;電學圖象;Dislab

學生對圖象的理解是一個由具體到抽象的思維過程，需要學生具備一定的抽象思維的能力，這個理解過程除了常見的基礎(chǔ)實驗在實驗中得出圖象之外，其他的圖象通常都是老師在黑板上推導(dǎo)得出的，有時學生難以理解是很常見的[ 1 ]。在平時的教學過程中，教師要更多的立足于實驗探究的基礎(chǔ)上，來幫助學生理解物理概念，也體現(xiàn)了物理學科核心素養(yǎng)的理念。

1? 提出問題

【例題1】如圖 1電路中，電源電壓不變，R1 為定值電阻，R2為滑動變阻器.閉合開關(guān)S，移動滑片P，多次記錄電壓表示數(shù)U和對應(yīng)的電流表示數(shù)I，則繪出的U﹣I關(guān)系圖象正確的是（? ? ?）。

問題：這道題是一個非常典型的電學圖象題，學生對歐姆定律實驗非常的熟悉，當電阻一定時，電流與電壓成正比，所以定值電阻R1的U-I圖象是一條傾斜向上的直線。但是對實驗電路圖中滑動變阻器的U-I圖卻非常的困惑，原因就是滑動變阻器的阻值、流過滑動變阻器的電流以及滑動變阻器兩端的電壓這三個量在這個動態(tài)過程中都在變化，很多教師在教學過程中自己也沒有理解，學生就更不好理解。很多的同學把表達式寫成U=RI，然后和數(shù)學里面的一次函數(shù)表達式y(tǒng)=kx聯(lián)系起來，認為滑動變阻器滑動，阻值的變化反應(yīng)的是U-I曲線斜率的變化，若將滑片從右往左滑動，R變小，對應(yīng)曲線傾斜程度越來越小，所以選B。

這種理解存在兩個問題，首先是k=y/x只有是一個定值時可以表示過原點的一次函數(shù)圖象直線的斜率，一般情況只能表示圖象中每個點與原點連線的斜率，曲線的某一點的斜率必須用k=Δy/Δx表示。另外B圖中曲線的斜率明顯是個負數(shù)，而實際電阻阻值是不可能為負值的。

解析：實際上這題答案是A，分析電路首先可以判斷當滑動變阻器的阻值減小，其兩端電壓減小的時候，電路中的電流會增大，也就是電流增大時電壓會變小，那就排除了C和D兩個選項。再考慮滑片在兩端的情況，滑片在最左邊時阻值為零，電壓表示數(shù)為零，此時電流為最大值。當滑片在最右端時，電流為最小值，電壓達到最大值，此時電壓是一個定值，而不會象B選項一樣趨近于無窮大，所以就只能選A。應(yīng)用排除法可以幫學生做對題，但卻達不到讓學生理解電路圖象的目的。

2? 用Dislab傳感器實驗畫出電學圖象

為了讓學生更好地理解，更多時候我們可以立足實驗，在實驗探究的基礎(chǔ)上再去思考和理解，可以讓學生更深入地讀懂物理。Dislab實驗系統(tǒng)中有電流和電壓傳感器，在傳統(tǒng)的電學實驗器材基礎(chǔ)上，使用電流、電壓傳感器將電路動態(tài)過程中的電流、電壓值用圖象實時的顯示出來，會使整個電學實驗的效率大大提高，非常適合教師在平時對一些復(fù)雜化之后的電路進行實驗探究，非常方便。課上現(xiàn)場搭的實驗裝置如圖2所示。

實驗采用了學生實驗電源，電源電壓調(diào)到6 V，定值電阻10 Ω，滑動變阻器最大阻值20 Ω。實驗先將滑動變阻器調(diào)到最大阻值，然后慢慢滑動滑片，電流傳感器與電壓傳感器將數(shù)值傳到計算機顯示出來，數(shù)據(jù)為表1，圖象如圖3所示。

由實驗數(shù)據(jù)和圖象可以很清楚的看到，滑動變阻器的U-I圖象是一條傾斜向下的斜線段。

3? 深入分析，挖掘圖象更多信息

【例題2】如圖4，電源電壓保持恒定，電路中R1為定值電阻，R2為滑動變阻器，最大阻值20 Ω。將滑動變阻器的滑片從最左端向右移動到某位置的過程中，電壓表V的示數(shù)變化量為ΔU2，電流表A的示數(shù)變化量為ΔI，測得值_______（填“増大”“減小”或“不變”）。滑片在最左端時，電壓表示數(shù)是0，電流表示數(shù)是0.6 A;滑片在最右端時，電壓表示數(shù)4 V，電流表示數(shù)0.2 A，求R1=? ? ? ? ? ? ? Ω，電源電壓U=_______V。

分析與解答：R1和R2串聯(lián)，滑片向右移動R2阻值增大，兩端電壓增大，電路電流減小，該動態(tài)過程中，由圖2可知滑動變阻器U-I圖象是條直線段，而顯示為該直線段的斜率絕對值，所以不變。然后由滑動編組器在最左端時電源電壓等于R1電壓，在最右端時電源電壓等于R1兩端電壓加R2兩端電壓之和。列兩個關(guān)于電源電壓U和R1阻值的二元一次方程組，解方程得R1=10 Ω，U=6 V。

由于在初中階段，學生沒有電源內(nèi)阻的概念，更沒有做過測量電源電動勢和內(nèi)阻的實驗，所以對這類題目的分析只能用最簡單的電路各物理量之間的關(guān)系來解決。對圖象再深入分析解題可以簡單很多，R1電壓與R2的電壓之和始終等于電源電壓，所以R1兩端電壓變化量與R2兩端電壓變化量互為相反數(shù)，而它們電流又相等，所以有|ΔU2/ΔI|=ΔU1/ΔI=R1，所以ΔU2/ΔI值不變。另外，如果假設(shè)R2是一個可以繼續(xù)向右滑動的變阻器，那么R2兩端的電壓會繼續(xù)增大，無限趨向于電源電壓U，所以做輔助線延長R2的U-I線段，與縱坐標的交點即為電源的電壓6V，如圖5所示。

為了幫助學生理解，可以將R2用更大的滑動變阻器替代，如換成最大阻值為200 Ω的滑動變阻器之后，用Dislab傳感器實驗得到R1的U-I圖象如圖6所示，R2的圖象如圖7所示。由實驗圖象可以看到，實驗圖象與理論圖象非常相符，R2線段的向左的變化更加趨近與（0 A，6 V）這個點。理論推導(dǎo)聯(lián)系實踐實驗之后學生對電學圖象就有了更加深刻的理解。

4? 總結(jié)

將Dislab傳感器應(yīng)用于電學實驗，可以提高課堂教學效率，可以幫助學生更好地理解電路動態(tài)過程中的圖象，特別是初中階段，學生對電學的學習不能過于抽象，需要多在實驗探究的基礎(chǔ)上分析解決問題，從而加深物理觀念和科學思維的形成。

參考文獻：

[1]楊宇紅.電學非常規(guī)實驗數(shù)據(jù)的圖象法處理[J]].物理教學探討，2015（11）：46-47.