“测绘小灯泡的伏安特性曲线”的教学思考

湖南中学物理Hunan Middle School Physics 2022年第5期 “测绘小灯泡的伏安特性曲线”的教学思考 吴吴，沈文炳 (湖北省鄂南高级中学，湖北咸宁437100) 摘要：“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验在新教材中不再作为独立章节呈现。现从初高中衔接和高中教学内容安 排的角度分析“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验在新教材中删除的原因，从近几年高考考查和新教材角度理解和该实验 在培养学生科学探究能力中的意义。本文尝试从实验拓展的角度提出了实验的教学策略，即从辩证的角度理解滑动变阻器 的连接方式，通过桥式电路消除系统误差，通过测量室温下小灯泡的电阻理解金属电阻的温度特性和欧姆定律。 关键词：小灯泡：伏安特性；教学分析；教学策略 学生实验“测绘小灯泡的伏安特性曲线”在人与初中不同的是，实验电路采用的是滑动变阻器分 教版普通高中物理必修第三册(2019年6月第3版)压接法。 被删除了。在实际教学过程中应该如何处理这个学 2019年6月第1版人教社高中物理必修第三 生实验，不同的老师有不同的看法。本文尝试从初册《第十一章电路及其应用》中专门有一节《实验： 高中衔接、教材内容解读、新课程标准要求理解、导体电阻率的测量》。其中，测量电路也是采用滑 高考试题分析等角度来分析该实验删除原因及其在动变阻器分压接法。 教学中的地位和作用，然后给出具体的教学建议。 小灯泡本质上还是一个金属电阻，如果再安排 学生实验《测绘小灯泡的伏安特性曲线》，就和《导 一、实验删除原因分析 体电阻率的测量》有重合的地方。而且导体电阻率 1.初高中的教材衔接需要 的测量是学生初中没有的、高中必须要做的实验， 初中教材已经探究过小灯泡的电压和电流的关对学生直观理解导体电阻率的概念是有益的。 系，并进一步知道了小灯泡的电功率的特点。高中 二、实验地位和作用思考 教材再安排测绘小灯泡的伏安特性曲线的实验就有 重复的嫌疑。从初高中教材衔接的角度，不需要再 “测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验尽管已经 专门在教材中重复介绍小灯泡实验的相关内容。 在新教材中删除了，但是其在考查和培养学生的科 初中教材北师大版专门有一节内容《三、学生学探究能力方面的价值依然不能否定。 实验：探究一小灯泡的电功率》。在实验探究过 1.高考命题考查的热点 程中要求学生关注实验原理、小灯泡参数的物理意 分析2017年至2021年全国各地高考关于小灯 义、设计电路图、选择和连接电表、明确实验步骤、 泡的伏安特性的实验命题如表1所示。可以发现， 设计表格收集数据、分析数据并得出结论。教材课小灯泡的伏安特性一直是考查的热点。 后作业涉及到滑动变阻器电路连接错误的判断、利 表1近5年全国各地高考试题统计 用小灯泡的U-I图像求解小灯泡电功率、电压表连 年份 考查试卷（内容） 接错误判断及小灯泡电功率计算、滑动变阻器限流 2021年 甲卷和河北卷（小灯泡） 电路中电压和电流调节范围的求解。 2020年 乙卷（小灯泡） 2.高中教学内容简化需要 2019年 乙卷（硅二极管） 2010年4月第3版人教社高中物理选修3-1第 2017年 甲卷（小灯泡） 47页专门有“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验。 基金项目：湖北省教育科学规划2019年度一般课题“运用SOLO提高高中物理实验教学有效性的实践研究”（项目 编号：2019JB337);2020年国家新闻出版署出版融合发展（北师大出版社）重点实验室一般课题“运用SOLO理论提高 高中物理实验微课有效性的实践研究”（项目编号：BSDRHK2020-27)。 -46- (C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net 吴昊，沈文炳/“测绘小灯泡的伏安特性曲线”的教学思考 值得一提的是，尽管2021年教育部考试中心不裂思维和二元对立思维。通过深度探索，可以培养 再发布考试大纲，但是2021年甲卷和河北卷还是直学生从实际出发，从辩证的角度理解滑动变阻器在 接考查了“测绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验。 电路中的选择和连接。 2.高考命题考查的难，点 滑动变阻器分压电路如图1(1)所示，滑动变阻 统计分析2017年至2020年普通高等学校招生器采用0-9Ω和0-502两种规格。滑动变阻器限流 全国统一考试物理大纲，“测绘小灯泡的伏安特性电路如图1(2)所示，滑动变阻器采用0-502规格。 曲线”实验一直是Ⅱ级要求。 由于实验室只有102、202、502等阻值的滑动 运用$OL0分类理论的思维能力层次山分析近变阻器。0-92的滑动变阻器如何得到？我们将两 五年全国高考甲、乙卷，如表1所示。从实验原理、个电阻箱串联起来，将其中一个电阻箱与小灯泡并 实验操作、数据分析和实验拓展的角度来统计，考联，在改变两电阻箱电阻值R1和R2的过程中，始 查的思维能力要求主要处于多点结构阶段和关联结 终保持R1+R2=92不变。D 构阶段，而且主要考查关联结构思维能力层次。 表2近5年全国高考试题分析 考查方式 多点结构 关联结构 2017甲卷23(1) 实验原理 2021甲卷23(4) 2020乙卷23(2) 2021甲卷23(1) 1) (2) 实验操作 2021甲卷23(2) 2020乙卷23(1) 图1滑动变阻器两种接法 2020乙卷23(1) 为了提高实验效率和实验的精确度，我们利用 2020乙卷23(3) 数据分析 2017甲卷23(2) 电压和电流传感器来采集数据。实验中，滑动变阻 2021甲卷23（3) 2021甲卷23(5) 器的滑片每次滑动的距离几乎相同，每次移动的距 2017甲卷23(3) 实验拓展 2021甲卷23(6) 2020乙卷23(4) 离大约为滑动变阻器电阻丝长度的九分之一。我们 将这三次实验得到的U图像放置在同一坐标系 3.课程标准要求的重点 中，如图2所示。 《普通高中物理课程标准(2017年版)》“3.2 0.3 电路及其应用”中“内容要求”栏目的“活动建议” 中指出，“分别描绘电炉丝、小灯泡、半导体二极 0.2 管的U特性曲线，对比它们导电性能的特点。” 鲁50欧分压 2019年6月第1版人教社高中物理必修第三册 50欧限流 0.1 ◆9欧分压 删除了“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验。不过， 教材在两个地方出现了与小灯泡伏安特性曲线相关 的情境。一是在第59页通过演示实验“电阻率与温 0 1U/W2 3 度的关系”展示了用酒精灯加热灯丝，小灯泡变暗 图2I-U图像 的实验。二是在第77页《复习与提高》中的B组 从图像可以得到如下信息： 第3题考查了“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验 (I)三种连接方式得到的IU图像基本是重合 的电路图、实验操作、数据处理等相关问题。 的。0-50Ω滑动变阻器限流接法中，小灯泡电压尽 三、实验教学策略建议 管不能从0开始取值，但是也特别接近0。 (2)0-502滑动变阻器分压式和限流式接法，在 1,辩证看待滑动变阻器的选择和连接 每次移动相同比例的距离时，所得到的数据点前段 滑动变阻器在电路中的作用主要是控制待测元 密集，后端稀疏，不够均匀，这和小灯泡电阻的变 器件的电压和电流，主要有限流和分压接法。在测 化特点相同。 绘小灯泡等可变电阻的电路中，初中教材中滑动变 (3)0-92滑动变阻器分压式接法，在每次改变 阻器采用限流接法，滑动变阻器的总电阻要大一些： 相同阻值时，所得到的数据点是很均匀的。也就是 高中教材中主要是分压接法，滑动变阻器的阻值一 说小阻值的滑动变阻器在分压式接法中可以比较均 般要小一些。这容易让学生形成思维定势，形成割 匀地改变电压和电流的大小。 -47- (C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net 吴昊，沈文炳/“测绘小灯泡的伏安特性曲线”的教学思考 也就是说，在测量小灯泡的伏安特性曲线时，的增大，小灯泡的电阻呈现非线性的增大。当电压 如果滑动变阻器总阻值较小，可以选择分压接法： 逐步减小时，可以初略看出不加电压时小灯泡的电 如果滑动变阻器总阻值较大，可以选择分压或限流阻的大小。 接法。 R-U 15 2.用电桥法消除电压表的系统误差 在上述电路图中，因为电压表的分流，测量是 10 有系统误差的。那我们如何才能消除测量的系统误 5 差呢？ 如图3所示，我们可以利用桥式电路来消除电 0 0 1 压表所引起的系统误差。首先，调整滑动变阻器的 U/V 滑片至某一适当位置；接着，调整电阻箱R2使得灵 图5小灯泡的R-U图像 敏电流计的示数尽量小：然后，调整R3使得G表示 到底是温度影响了小灯泡的电阻，还是电压直 数为0。再在灵敏电流计的示数不超过量程的前提 接影响了小灯泡的电阻？我们可以通过实验确定冷 下，减小R接入阻值，并继续通过调整R阻值使G态电阻的伏安特性曲线。将小灯泡的玻璃罩敲破， 表示数至0，最终直到G表示数为0，R接入阻值然后浸泡在室温下的水中实验。如图6所示为通过 也为0时，利用电压和电流传感器来采集数据和处数据采集器得到的小灯泡在室温水中的-U图像。 理数据。 由于水的冷却作用，灯丝的温度几乎不变，所以在 电压和电流逐渐增大的情况下，灯丝的电阻可近似 认为不变。这说明小灯泡电阻的变化是因为热效应 的原因。 通过实验，学生也进一步理解了欧姆定律的适 用条件。 I-U 0.8 0.6 ≤0.4 0.2 图3电桥法电路 0 通过桥式电路，可以比较和判断图2中数据的 00.2 0.40.60.8 1 U/V 准确程度。现把通过桥式电路获得的I-U图像和图 图6小灯泡的冷态电阻特性 2中的图像放置在一个坐标系中，得到图4所示的 情况。从图4可以看出，小灯泡的四种伏安特性曲 四、结束语 线基本重合。 0.3 新教材中尽管没有单独设置“测绘小灯泡的伏 安特性”实验，但是我们仍然要重视实验在培养学 0.2 臀50欧分压 生物理科学探究过程中的重要价值和作用。通过变 +50欧限流 易思维，深度反思，引导学生从辩证看待实验电路 0.1 电桥式 ◆9欧分压 的连接，深刻认识金属电阻的欧姆定律及其适用条 件，认识金属电阻的温度特性。 0 1 U/V 2 图4四种1-U图像比较 参考文献： 3.深度理解小灯泡电阻的伏安特性 [1]王较过，赵欢苗.SOLO分类理论在物理教学设计中 为了进一步地理解小灯泡的电阻随电压变化的 的应用[.当代教师教育，2012,5(01)：57-62. 关系，可以做出小灯泡的电阻R和电压U之间的关 [2]李一新.滑动变阻器与定值电阻的搭配连接[).中学 系图像，如图5所示。从图像可以看出，随着电压 物理教学参考，2016,45(19八：35-37. -48- (C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net