把握原理培养能力提高素养<br/>——“描绘小灯泡伏安特性曲线”实验复习的探讨

把握原理培养能力提高素养
——“描绘小灯泡伏安特性曲线”实验复习的探讨

2014-08-28

物理之友 2014年4期

(南京市中华中学，江苏南京 210019)

实验在高中物理中的重要性毋庸置疑，自然也是高考中的一个重点和难点，因而师生对实验的复习是高度重视，但复习效果往往不尽如人意.笔者认为，实验复习中教师首先要唤醒学生，明白“做什么”和“怎么做”，就是知晓实验目的、内容和操作；其次要引领学生解决“为什么这么做”、“还能怎样做”，就是要理清实验原理，并能对该实验进行拓展、迁移；最后还要探索“还可以做什么”，就是应用该实验开展创新设计，解决一些实际问题，以提高实验复习的效果，进而提高学生的实验素养.本文以“描绘小灯泡伏安特性曲线”实验复习为例做一探讨.

1 注重原理，明晰是非

“描绘小灯泡伏安特性曲线”是一个重要的探究性实验，学生通过测量电路和控制电路的选择、实验器材的选择、实验操作、数据采集、伏安特性曲线描绘，发现小灯泡的非线性特征，并分析其主要原因.学生对整个过程比较熟悉，但进入实验复习后，学生有了进一步的思考，就出现了许多似是而非的问题，需要我们从实验原理出发深入探究，以明晰是非.

(1)对于“3.8V 0.3A”的小灯泡，测量时如何选择电压表、电流表的量程？

对于“3.8V 0.3A”的小灯泡，电流表选用0—0.6A挡比较简单，而电压表是选择0—3V还是0—15V挡比较为难.实验研究表明，小灯泡在电压为0—3V范围内变化时，足能反映出小灯泡灯丝电阻的非线性特性.在0—0.1V时基本呈线性，在0.1—0.4V时非线性最明显，在0.4—3.8V时又近似呈线性.据此，电压表量程应选用0—3V挡，若选用0—15V挡，即使小灯泡电压加到3.8V，电压表的指针偏转也达不到满偏的1/3，实验读数的精确性就不够了.

图1

(2)若已知电压表、电流表中某一电表的内阻，如何精确测量小灯泡的电阻?

图2

(3)分压电路中滑动变阻器如何选择？

图3

本实验中要求加在小灯泡上的电压从0开始增大，所以滑动变阻器要采用分压接法，如图3所示，当滑片处于c处时，负载Rx上的电压Ux与Rac及滑动变阻器电阻R的关系为

图4

当Rx≪R时,Ux随Rac的变化情况大致如图线Ⅲ所示,负载Rx上的电压Ux随Rac的增大,开始缓慢增大,后急剧上升,调节起来较为困难.因此,滑动变阻器应选择阻值适当较小且额定电流较大的一种，其Ux随Rac的变化情况如图中曲线Ⅱ部分,这样描绘出的伏安特性曲线较为理想.

(4)如何调节滑动变阻器，才能使描绘出来的曲线更准确？

图5是实验测量描绘的小灯泡伏安特性曲线，曲线表明:小灯泡在0.1V范围内,伏安特性近似线性;在0.1—0.4V范围内,伏安特性表现为非线性;在0.4—3V范围内,伏安特性又近似为线性.所以在实验时,在0—0.1V范围内要测量两组数据,在0.1—0.4V范围内至少要测量3组数据,在0.4以上,可测量3组数据.这8组数据不应8等分，前面电压间隔要很小，0.4V以后，电压间隔可以大些.另外,考虑到小灯泡电阻受灯丝温度的影响,电压要从小到大调节.

图5

(5)小灯泡的伏安特性曲线是I-U图线还是U-I图线？

在坐标纸上画伏安特性曲线时,一般采用I-U图线,而不是U-I图线,主要是该实验中,加在小灯泡两端的电压U是自变量,而通过灯丝的电流I是应变量.但在很多题目中是用U-I图线来描述小灯泡的电流与电压之间的关系，只要认清图线描述的变化规律就行.

(6)控制电路一定要采用分压电路吗？

实验中对控制电路选用的是分压电路，是不是就不能用限流电路呢？我们不妨来试一下，选用“3.8V 0.3A”的小灯泡，可用大阻值的滑动变阻器或电阻箱与之串联后，调节阻值，可以采集到描绘小灯泡伏安特性曲线所需的关键数据(包括0—0.1V范围内读取两组数据)，电阻的阻值从较大处开始移动，小灯泡两端电压先是缓慢增加，后较快增加，这一变化规律正符合本实验数据采集的需要：先密后疏.在采用限流电路时能测得除“0V,0A”以外的所有数据，考虑到小灯泡两端不加电压时，流过的电流显然为零，即这组数据是不测自得的.可见，本实验滑动变阻器采用限流电路也是可行的，但选用分压电路更简单些.

2 针对训练，提高能力

复习中要把考纲对该实验的要求进行分解，结合相关例题进行针对训练，切实提高学生的实验能力、迁移能力和创新能力，促进学生实验素养的提升.

(1)实验原理与操作

要掌握本实验的基本原理、基本技能，并能正确地用来解决一些实验中的问题，如实物连线图、电路图，正确地进行器材选择，会分析伏安特性曲线等.

例1 某研究性学习小组为了制作一种传感器，需要选用一电器元件.图6为该电器元件的伏安特性曲线，有同学对其提出质疑，需进一步验证该伏安特性曲线，实验室备有下列器材：

图6

器材(代号)规格电流表(A1)电流表(A2)电压表(V1)电压表(V2)滑动变阻器(R1)滑动变阻器(R2)直流电源(E)开关(S)导线若干量程0～50mA,内阻约为50Ω量程0～200mA,内阻约为10Ω量程0～3V,内阻约为3kΩ量程0～15V,内阻约为15kΩ阻值范围0～15Ω,允许最大电流1A阻值范围0～1kΩ,允许最大电流100mA输出电压6V,内阻不计

①为提高实验结果的准确程度，电流表应选用；电压表应选用；滑动变阻器应选用.(以上均填器材代号)

②为达到上述目的，请画出正确的实验电路原理图，并标明所用器材的代号.

③若发现实验测得的伏安特性曲线与图中曲线基本吻合，请说明该伏安特性曲线与小灯泡的伏安特性曲线有何异同点？

解析：①由图6可知，电流的变化范围在120mA左右，而电压值在3V以内，所以选择200mA的电流表A2和3V的电压表V1.由于绘制图象的需要，要求电压从0～3V之间调整，所以滑动变阻器采用分压电路，所以滑动变阻器选择一个最大电流较大阻值小的R1.

图7

③相同点：通过该元件的电流与电压的变化关系和通过小灯泡的电流与电压的变化关系都是非线性关系.

不同点：该元件的电阻值随电压的升高而减小，而小灯泡的电阻值随电压的升高而增大.

(2)数据处理与分析

在数据处理与分析方面要求学生能对实验采集的数据进行描点、连线，对伏安特性曲线进行分析，发现规律.

例2 在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，某同学测得电流-电压的数据如下表所示：

电流I/mA2.75.412.419.527.836.447.156.169.681.793.2电压U/V0.040.080.210.541.302.203.524.776.909.1211.46

①用上表数据描绘电压随电流的变化曲线；

②为了探究灯丝电阻与温度的关系，已作出电阻随电流的变化曲线如图8所示，请指出图线的特征，并解释形成的原因.

图8

图9

解析：①小灯泡的电压随电流的变化曲线见图9.

②电阻随电流变化存在三个区间，电阻随电流的变化快慢不同.第一区间电流很小时，电阻变化不大；第二区间灯丝温度升高快，电阻增大快；第三区间由于部分电能转化为光能，灯丝温度升高变慢，电阻增大也变慢.

(3)伏安特性曲线的应用

要能应用伏安特性曲线分析处理一些实际问题，比如，分析电阻变化的情况下物理量之间的变化关系，求小灯泡实际消耗的电功率等.

图10

例3 在“描绘小灯炮的伏安特性曲线”的实验中，利用实验中得到的实验数据描绘出了小灯泡的伏安特性曲线如图10．根据此图给出的信息，可以判断出下图中正确的是(图中P为小灯泡功率)( ).

例4 由实验得到小灯泡的伏安特性曲线如图11中b线．将该小灯泡与一干电池组成闭合回路，该电池两极间的电压随电路中电流的变化关系图线如图中a线所示，则小灯泡与电池连接后的实际功率为__________W；若再将一阻值为0.75Ω的电阻串联在电路中，则小灯泡的实际功率为W．

图11

解析：小灯泡的电流与电压之间的关系遵从图中b线，而小灯泡在闭合电路中其电流与电压之间的关系又遵从图中a线，同时满足的只有在两条线的交点处，即小灯泡的工作电流为1.3A，工作电压为0.6V，所以小灯泡的实际功率为P=UI=0.6×1.3W=0.78W.

由a线可知，电源的电动势为1.5V,内阻为0.75Ω，若再将一阻值为0.75Ω的电阻串联在电路中，则电池两极间的电压随电路中电流的变化关系为U=1.5-1.5I在图中作出该线(如图12)，找出与b线的交点，即可知小灯泡的电流为0.9A，电压为0.3V，则此时小灯泡的实际功率为P=UI=0.3×0.9W=0.27W

图12

(4)实验改进与创新

创新是建立在对以往经验与规律的深刻理解基础上，做出的一种延伸、拓展与探究的行为.对本实验给予一定的改变，如将本实验中的小灯泡变换为热敏电阻、二极管、电动机等，将小灯泡的伏安特性研究变换为电功率与电压之间关系等，就是对本实验的改进与创新.使实验源于课本，高于课本而又不脱离课本，正是实验命题的一个基本原则.

例5 为探究小灯泡的电功率P和电压U的关系，小明测量小灯泡的电压U和电流I，利用P=UI得到电功率.实验所使用的小灯泡规格为“3.0V 1.8W”，电源为12V的电池，滑动变阻器的最大阻值为10Ω.