问题导引激发思维 追根溯源提升素养——用传感器和DataStudio软件探究小电珠的伏安特性曲线

夏良英 王云天

(1. 广东省龙华高级中学，广东 深圳 518109； 2. 广东省华南理工大学，广东 广州 510641)

物理学科核心素养中“科学探究”是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释,以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力．科学探究主要包括问题、证据、解释、交流等4个要素．

1 引言

笔者带领学生利用传感器探究小电珠的伏安特性曲线,进行了如下实验.

图1

(1) 实验目的.

用传感器和DataStudio软件探究小电珠的伏安特性曲线(如图1所示，U-I图像).

(2) 实验原理.

利用电压和电流传感器,测量出小电珠的电压值和电流值,用DataStudio软件处理数据,绘出U-I图像．

(3) 实验器材.

干电池4节，导线若干，开关，滑动变阻器，小电珠，数据采集器，电压传感器，电流传感器，计算机．

(4) 实验装置图(如图2所示).

图2 实验电路图

图3 实物电路图

(5) 实验过程.

① 如图3所示连接好电路、数据采集器和计算机．

② 打开DataStudio软件,创建实验,在“文件”窗口中新建活动,显示图表．

③ 启动传感器,并调节滑动变阻器,让小电珠两端的电压从零开始增大到最大值,计算机记录下相应的图像(如图4)．

图4

学生提出问题:利用传感器和DataStudio软件绘制出的小电珠伏安特性曲线与传统实验得到的曲线存在差异．

从图4中可以看出,在电压为0～1 V之间增大时,图像的斜率逐渐增大,说明小电珠的电阻逐渐增大;但当电压在1.5～2.5 V之间时,小电珠的电流大小却几乎不变,说明电阻变化很大;电压大于2.5 V之后,随着电压的增大,电流又开始增大,从最后一段图像的斜率来看,电阻又几乎不变．传感器和DataStudio软件描绘出来的伏安特性曲线和理论曲线相差竟如此之大．针对这一问题,笔者鼓励学生分析产生这一现象的原因,设计实验来探寻问题的真相．

学生们进行小组讨论得出可能的原因有以下几点: (1) 传感器质量、电脑软件问题．经过更换传感器,对其它定值电阻的测量、绘图,排除该原因．(2) 偶然误差．解决办法:多次实验．(3) 在与传统实验操作中对比发现,利用传感器实验时间较快,会不会因为移动滑动变阻器的速度影响．解决办法:改变移动滑动变阻器的速度．

2 问题导引激发思维

为了论证上述分析原因,笔者进行了多次实验,并改变移动滑动变阻的速度和滑动的方向,在同一个坐标中得到了图5的曲线．

图5

分析1: 通过多次实验得到了跟图4类似的曲线,排除了偶然误差的影响．

分析2: 滑动变阻器移动快慢对伏安特性曲线有影响.

从图5中可以看出,当滑动变阻器移动速度不同,小电珠两端的电压增大的快慢就不同,结果绘出的伏安特性曲线也不同．移动速度越快(右边的曲线,计数点少,时间短),曲线越靠右,电压为2.5 V左右,小电珠的电流最大,电压大于2.5 V之后,电流反而会减小.这说明小电珠的电阻迅速变大．滑动变阻器移动越慢,曲线越靠左,当移动速度较慢时,电压在1～1.5 V左右时,电流最大,随后电流略有减小,然后几乎不变,2.5 V以后开始呈现增大趋势．

分析3:反向移动滑动变阻器得到特殊的伏安特性曲线.

值得一提的是,当我们反向移动滑动变阻器时(即减小小电珠两端的电压),从图5中我们可以看到,其伏安特性曲线与正向移动的伏安特性曲线相距甚远．对反向移动的伏安特性曲线仔细分析,我们发现其图像曲线近似为一条直线．这一发现,让我们感到惊讶,这是什么原因导致的呢?

3 追根搠源提升素养

由于影响小电珠电阻的直接原因是温度,滑动变阻器正向移动时,小电珠两端的电压增大,温度逐渐升高,电阻增大．根据小电珠的这一特性和上述实验得到的图像．我们做出如下总结．

(1) 当缓慢移动滑动变阻器时,由于小电珠两端电压变化较慢,小电珠的电阻丝充分发热,温度能够接近该电压的“饱和温度”(由于小电珠发热的同时也在向外放热,因此,不同的电压值将会有对应小电珠的一个平衡温度)．当电压在0～1 V之间时,小电珠的电流较小,功率小,温度较低,故对小电珠的电阻影响不大,所以得到的图像近似为一条直线．当电压逐渐升高,小电珠的温度明显升高,故电阻迅速增大,因而出现了1～2 V之间的电压增大,电流反而减小的曲线．当电压再继续升高,电阻也会继续升高,但此时的幅度没有1～2 V之间那么大了,因而出现了2.5 V以后的曲线．

当滑动变阻器快速移动时,小电珠在低电压情况下来不及达到“饱和温度”,故一开始的直线区域较长(0～2 V),2 V以后曲线的斜率明显变化,说明小电珠此时温度较高,电阻变化明显．

最终,当滑动变阻器停下,小电珠发热达到该电压下的“饱和温度”,各种情况下小电珠的伏安特性曲线都交于同一点．

(2) 对于反向移动滑动变阻器(即小电珠两端的电压减小)的曲线,由于小电珠向外放热的速度较慢(导致小电珠没有充分放热),所以电压减小时,温度并没有降低太多,此时小电珠的电阻没有太大变化,伏安特性曲线近似为一条直线．

(3) 从图5中的曲线仔细分析可发现,反向移动滑动变阻器得到的伏安特性曲线与非常缓慢正向移动滑动变阻器的伏安特性曲线很接近,斜率也近似相同．分析原因,应该是正向缓慢移动滑动变阻器时,当电压达到一定值后,温度较高,此时小电珠向外散热量较大(而且散热较充分),导致电压再升高时,温度并没有明显升高,小电珠的电阻没有明显变化．

(4) 综合图5中的各条正向移动曲线,我们会发现如果将各次实验结果取平均值再绘制曲线,其形状就与传统实验曲线相近了．说明,不管是传统实验也好,还是传感器实验,本着认真、科学的实验态度去做实验,最终得到的实验结果应该是相近的．