2.5 实验：描绘I-U特性曲线 教学设计 -2026-2027学年高二上学期物理教科版必修第三册

该高中物理教学设计聚焦“实验：描绘I-U特性曲线”，承接伏安法、限流分压电路及U-I图像知识，通过小灯泡分压实验电路图确定分压+电流表外接电路，搭建从电路选型到数据采集的学习支架，引导探究非线性元件规律。 特色在于分层讲解电路选型逻辑（分压从零取值理由）、实操训练平滑曲线绘制（区分线性与非线性）、故障辨析定位断路，结合科学探究（实验操作）、科学思维（数形分析）、物理观念（电阻随温度变化），采用需求匹配讲授法等，助力学生提升实验能力与科学素养，为教师提供清晰教学流程与资源支持。

教学设计 课程名称 实验：描绘I-U特性曲线 选用教材 高中物理教科版必修三 教学章节 第二章第五节 授课对象 高二学生 授课类型 新授课 授课学时 1课时（45分钟） 一、教学内容分析 本节课是动态非线性元件电学探究实验，承接伏安法、限流分压电路、U-I 图像相关知识，核心研究小灯泡电阻随温度变化的非线性规律，整体分为三大逻辑板块：第一板块依托小灯泡分压实验电路图，说明实验必须选用分压滑动变阻器、电流表外接的组合，讲解开关闭合前滑片安全放置位置、均匀采集多组数据的操作要求；第二板块借助 I-U 空白坐标方格图，规范多组电压电流数据描点方法，区分定值电阻直线图像与小灯泡平滑弯曲曲线的差异；第三板块利用带故障标注实物习题电路图，分析电路断路故障带来的调压失效问题，结合成型 I-U 曲线解读灯泡阻值随电压升高持续变大的内在原因。完整搭建 “分压外接实验电路图确定全套实验电路→空白坐标方格图规范曲线绘图操作→故障实物习题电路图辨析电路故障与非线性电阻规律” 的动态元件探究实操链条，让学生理解金属灯丝温度对电阻的影响，区分线性、非线性电学元件。 二、学情分析 1. 知识基础 学生已经掌握分压、限流变阻器调压范围差异、伏安法内外接误差、坐标图像处理实验数据方法；但默认所有元件电阻固定不变，不清楚灯丝通电升温会改变电阻；不理解本实验必须分压接法的核心原因；遇到电路断路故障无法快速定位断线位置；绘图时容易用直线连接小灯泡所有数据点。 2. 能力基础 学生具备简单线性电阻绘图、基础电路搭建能力，但非线性平滑曲线绘图能力薄弱；根据实验目标匹配分压 + 外接组合电路的选型逻辑梳理能力不足；从带节点标注实物电路图排查断路故障的读图辨析能力欠缺；结合曲线弯曲趋势分析电阻变化的数形结合分析能力较差。 3. 思维基础 学生存在多处顽固认知误区：小灯泡电阻是固定不变的常数；限流电路也能实现电压从零均匀采集数据；小灯泡 I-U 图像应该是过原点直线；绘图时相邻数据点用直线连接；滑片初始位置可以随意放置无需保护电表。 三、教学目标 1. 物理观念 建立非线性元件完整电路物理观念：金属灯丝通电后温度随电压升高上升，金属电阻率随温度升高增大，小灯泡电阻随两端电压增大持续变大；小灯泡属于非线性元件，I-U 图像为向上弯曲的平滑曲线；本实验需要电压从零到额定电压均匀取值，因此滑动变阻器必须选用分压接法，小灯泡阻值偏小搭配电流表外接；分压电路开关闭合前滑片移至灯泡电压为零一侧，保护电表。 2. 科学思维 依托小灯泡分压实验电路图建立实验需求匹配电路组合的选型思维；借助 I-U 空白坐标方格图建立非线性数据平滑拟合的数形绘图思维；利用带故障标注实物习题电路图建立电路故障定位、曲线趋势物理意义解读的辩证分析思维，完整实现电路选型匹配、非线性图像绘制、故障与曲线规律辨析链条思维训练。 3. 科学探究 观察小灯泡分压实验电路图，完整说出分压变阻器、电流表外接的选用理由与安全操作规范；看懂 I-U 空白坐标方格图，将多组测量数据描点，用平滑曲线连接各数据点；分析带故障标注实物习题电路图，判断断路导线位置，结合成型 I-U 曲线说明灯泡电阻变化规律；完整经历 “分压外接实验电路图确定全套实验电路→空白坐标方格图规范曲线绘图操作→故障实物习题电路图辨析电路故障与非线性电阻规律” 标准化动态元件探究流程。 4. 科学态度与责任 完整实验包含电路搭建、多组数据采集、坐标绘图、故障排查全流程，每一步操作都有规范要求，培养严谨细致的电学实验操作习惯；灯丝温度改变电阻属于金属材料固有特性，引导学生不能机械套用定值电阻规律，树立具体元件具体分析的求真思维；分组协作采集数据、绘制曲线，锻炼分工配合、互相校验数据的团队协作意识。 四、教学重难点 重点 实验电路：分压式滑动变阻器搭配电流表外接的整套电路选择与搭建规范 I-U 曲线绘图方法，平滑曲线拟合数据点，区分线性与非线性图像 小灯泡电阻随电压升高变大的原因（灯丝升温、金属电阻率增大） 难点 完整说明本实验必须采用分压电路的逻辑依据 根据弯曲 I-U 曲线定量分析灯泡阻值变化趋势 结合实物节点电路图快速判断断路故障导线位置 五、教学方法 需求匹配讲授法：小灯泡分压实验电路图，结合多组从零取值需求讲解分压外接组合电路； 数形绘图实操法：I-U 空白坐标方格图，分组练习描点、平滑曲线拟合绘图； 故障辨析讨论法：带故障标注实物习题电路图，小组讨论断路故障定位与曲线物理含义。 六、教学资源 教科版必修第三册物理课本；小灯泡分压实验电路图、I-U 空白坐标方格图、带故障标注实物习题电路图；分组实验器材：电源、小灯泡、滑动变阻器、电流表、电压表、开关、导线；坐标方格纸、实验数据记录单；电路选型、绘图、故障辨析练习题；多媒体课件、实验操作台。 七、教学设计 教学环节 教师活动 学生活动 环节一 小灯泡分压实验电路图匹配选型，确定整套实验电路与操作规范（12 分钟） · 展示小灯泡分压实验电路图 · 分层讲解电路搭配、操作细则： · 第一层：实验需要电压从零到额定电压均匀取多组数据，限流电路无法让灯泡电压归零，因此滑动变阻器必须采用分压接法；小灯泡灯丝电阻数值偏小，电压表分流误差更小，电流表选用外接； · 第二层：完整分步操作：按照图示连接全部元件，开关断开状态下滑片移至 A 端，灯泡两端电压为零，闭合开关；缓慢向 B 端移动滑片，每次电压增加相等数值，直到达到灯泡额定电压，记录多组电压、电流数据； · 着重强调两条硬性规范：全程不能超过小灯泡额定电压，防止灯丝烧毁；开关断开后再切换电表档位、整理导线。 · 抛出实操思辨问题：如果误选用限流电路，会对本次实验数据采集造成什么影响？ · 组织同桌两人对照电路图梳理电路选用理由、完整操作顺序，限时两分钟口述流程。 观看小灯泡分压实验电路图，理解分压 + 外接组合电路的选用逻辑；记住滑片初始安全位置、均匀采集数据的操作要求，带着坐标绘图相关问题进入下一环节。 环节二 I-U 空白坐标方格图实操绘图，掌握非线性平滑曲线拟合方法（15 分钟） · 展示 I-U 空白坐标方格图 · 分层示范完整绘图步骤： · 第一步：横轴代表电压、纵轴代表电流，将每组测量的电压、电流对应坐标逐一描在方格交点； · 第二步：舍弃偏离整体趋势的误差点，用一条平滑连续曲线串联所有有效数据点，禁止分段直线连接； · 第三步：对比定值电阻过原点直线，说明小灯泡曲线向上弯曲，属于非线性电学元件。 · 布置四人小组绘图练习任务：提供一组模拟实验数据，完成描点、平滑曲线绘制，限时三分钟。 观看 I-U 空白坐标方格图，掌握非线性元件平滑曲线绘图规范；能独立完成多组数据描点、曲线拟合，分清线性与非线性图像外观差异。 环节三 带故障标注实物习题电路图辨析，排查断路故障解读曲线规律（13 分钟） 展示带故障标注实物习题电路图 分两层开展辨析教学： 第一层：故障分析：滑片调节时电压、电流无法调到零，说明分压支路存在断路，对应变阻器左端分压导线断开； 第二层：曲线规律解读：观察成型 I-U 曲线，随着电压升高，图像上某点与原点连线斜率持续减小，代表灯泡电阻不断变大；核心原因是电压升高灯丝电流变大，灯丝温度上升，金属材料电阻率随温度升高增大； 向全班抛出辨析思考题：若把小灯泡替换为定值电阻，绘制出的 I-U 图像会是什么形状？ 观看带故障标注实物习题电路图，能定位分压断路故障导线；理解灯丝升温是灯泡电阻持续变大的根本原因，可结合曲线斜率分析阻值变化。 环节四 实操习题训练，课堂总结梳理全部核心内容（3 分钟） · 出示电路选型辨析、曲线绘图规范、断路故障判断、灯泡电阻变化规律四类综合思考题，带领学生复盘分压外接实验电路图确定全套实验电路、空白坐标方格图学习平滑曲线绘图、故障实物习题电路图辨析断路与非线性规律三大核心内容；整合三张配图梳理本节课全部知识点，梳理小灯泡分压实验电路图、I-U 空白坐标方格图、带故障标注实物习题电路图三大板块考点；纠正 “灯泡电阻固定不变”“可用限流电路”“直线连接数据点” 三类典型认知误区。 · 独立完成四道实操辨析题，严谨说出分压电路选用依据、平滑曲线绘图要求、灯丝升温改变电阻的物理逻辑；整合三张配图对应知识点，记录课后分组完整实操测量绘图任务。 环节五 课堂收尾（2 分钟） 回扣开篇小灯泡分压实验电路图总结：本节课我们确定分压外接整套实验电路，练习非线性 I-U 平滑曲线绘图，分析电路断路故障与小灯泡电阻随温度变化的规律，掌握非线性元件完整探究方法，下一章学习电能与电功率。 完整回顾分压电路选型、平滑曲线绘图、灯丝升温改变电阻、故障排查全部知识点，理清 “分压外接实验电路图确定全套实验电路→空白坐标方格图规范曲线绘图操作→故障实物习题电路图辨析电路故障与非线性电阻规律” 完整实操探究学习思路。 八、板书设计 九、课程思政 本节课依托小灯泡分压实验电路图、I-U 空白坐标方格图、带故障标注实物习题电路图三组教材素材，沿着分压外接组合电路匹配实验数据采集需求、空白方格坐标分层练习非线性平滑曲线绘图、带节点实物电路图排查断路故障并结合成型曲线解读灯丝温度改变电阻规律的脉络开展教学，培养学生根据实验目标匹配最优电路方案、非线性数据数形结合平滑拟合绘图、实物电路节点分层定位故障、图像曲线趋势解读内在物理机制的实操探究品格；小灯泡是照明、指示灯通用基础元件，灯丝电阻随温度变化的特性广泛用于温控传感设备，体现基础电学实验规律支撑照明、自动控制民生产业；实验要求均匀取值、平滑拟合曲线、规范放置滑片等细致操作，培养一丝不苟、严谨规范的电学实验素养；不能套用定值电阻直线图像规律分析灯泡，引导学生区分线性、非线性元件，摒弃固化思维，做到结合元件实际特性具体分析；分组协作采集数据、绘制曲线、互相排查电路故障，锻炼分工配合、互助纠错的团队协作能力。 十、教学反思和修改 教学反思：本节课依托三张电路、坐标、故障习题图开展分组实操实验课，绘图实操学生参与度较高，但存在三处典型顽固认知误区：一是认为限流电路可完成本次实验，不理解从零均匀取值必须分压；二是绘图时直接用直线连接相邻数据点，画不出平滑曲线；三是认为灯泡电阻固定不变，无法关联灯丝温度与电阻率变化；同时部分小组不能快速定位分压断路故障导线。 修改措施：课前印制电路选型、绘图规范填空预习单，标注 “本实验必须分压、平滑曲线拟合” 核心要点；课堂增加电路选型正误、绘图对错、电阻变化原因三类抢答辨析练习；延长四人小组完整实操绘图、故障讨论时长，教师巡回指导曲线绘制、故障定位；课后配套曲线绘图、电路故障辨析两类巩固任务，严格规范分压电路选型、非线性曲线绘图双重训练。 学科网（北京）股份有限公司 $