夏良英 王云天
(1. 廣東省龍華高級(jí)中學(xué),廣東 深圳 518109; 2. 廣東省華南理工大學(xué),廣東 廣州 510641)
物理學(xué)科核心素養(yǎng)中“科學(xué)探究”是指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋,以及對(duì)科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力.科學(xué)探究主要包括問題、證據(jù)、解釋、交流等4個(gè)要素.
筆者帶領(lǐng)學(xué)生利用傳感器探究小電珠的伏安特性曲線,進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn).
圖1
(1) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?
用傳感器和DataStudio軟件探究小電珠的伏安特性曲線(如圖1所示,U-I圖像).
(2) 實(shí)驗(yàn)原理.
利用電壓和電流傳感器,測(cè)量出小電珠的電壓值和電流值,用DataStudio軟件處理數(shù)據(jù),繪出U-I圖像.
(3) 實(shí)驗(yàn)器材.
干電池4節(jié),導(dǎo)線若干,開關(guān),滑動(dòng)變阻器,小電珠,數(shù)據(jù)采集器,電壓傳感器,電流傳感器,計(jì)算機(jī).
(4) 實(shí)驗(yàn)裝置圖(如圖2所示).
圖2 實(shí)驗(yàn)電路圖
圖3 實(shí)物電路圖
(5) 實(shí)驗(yàn)過程.
① 如圖3所示連接好電路、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī).
② 打開DataStudio軟件,創(chuàng)建實(shí)驗(yàn),在“文件”窗口中新建活動(dòng),顯示圖表.
③ 啟動(dòng)傳感器,并調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器,讓小電珠兩端的電壓從零開始增大到最大值,計(jì)算機(jī)記錄下相應(yīng)的圖像(如圖4).
圖4
學(xué)生提出問題:利用傳感器和DataStudio軟件繪制出的小電珠伏安特性曲線與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)得到的曲線存在差異.
從圖4中可以看出,在電壓為0~1 V之間增大時(shí),圖像的斜率逐漸增大,說(shuō)明小電珠的電阻逐漸增大;但當(dāng)電壓在1.5~2.5 V之間時(shí),小電珠的電流大小卻幾乎不變,說(shuō)明電阻變化很大;電壓大于2.5 V之后,隨著電壓的增大,電流又開始增大,從最后一段圖像的斜率來(lái)看,電阻又幾乎不變.傳感器和DataStudio軟件描繪出來(lái)的伏安特性曲線和理論曲線相差竟如此之大.針對(duì)這一問題,筆者鼓勵(lì)學(xué)生分析產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)探尋問題的真相.
學(xué)生們進(jìn)行小組討論得出可能的原因有以下幾點(diǎn): (1) 傳感器質(zhì)量、電腦軟件問題.經(jīng)過更換傳感器,對(duì)其它定值電阻的測(cè)量、繪圖,排除該原因.(2) 偶然誤差.解決辦法:多次實(shí)驗(yàn).(3) 在與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作中對(duì)比發(fā)現(xiàn),利用傳感器實(shí)驗(yàn)時(shí)間較快,會(huì)不會(huì)因?yàn)橐苿?dòng)滑動(dòng)變阻器的速度影響.解決辦法:改變移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的速度.
為了論證上述分析原因,筆者進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn),并改變移動(dòng)滑動(dòng)變阻的速度和滑動(dòng)的方向,在同一個(gè)坐標(biāo)中得到了圖5的曲線.
圖5
分析1: 通過多次實(shí)驗(yàn)得到了跟圖4類似的曲線,排除了偶然誤差的影響.
分析2: 滑動(dòng)變阻器移動(dòng)快慢對(duì)伏安特性曲線有影響.
從圖5中可以看出,當(dāng)滑動(dòng)變阻器移動(dòng)速度不同,小電珠兩端的電壓增大的快慢就不同,結(jié)果繪出的伏安特性曲線也不同.移動(dòng)速度越快(右邊的曲線,計(jì)數(shù)點(diǎn)少,時(shí)間短),曲線越靠右,電壓為2.5 V左右,小電珠的電流最大,電壓大于2.5 V之后,電流反而會(huì)減小.這說(shuō)明小電珠的電阻迅速變大.滑動(dòng)變阻器移動(dòng)越慢,曲線越靠左,當(dāng)移動(dòng)速度較慢時(shí),電壓在1~1.5 V左右時(shí),電流最大,隨后電流略有減小,然后幾乎不變,2.5 V以后開始呈現(xiàn)增大趨勢(shì).
分析3:反向移動(dòng)滑動(dòng)變阻器得到特殊的伏安特性曲線.
值得一提的是,當(dāng)我們反向移動(dòng)滑動(dòng)變阻器時(shí)(即減小小電珠兩端的電壓),從圖5中我們可以看到,其伏安特性曲線與正向移動(dòng)的伏安特性曲線相距甚遠(yuǎn).對(duì)反向移動(dòng)的伏安特性曲線仔細(xì)分析,我們發(fā)現(xiàn)其圖像曲線近似為一條直線.這一發(fā)現(xiàn),讓我們感到驚訝,這是什么原因?qū)е碌哪?
由于影響小電珠電阻的直接原因是溫度,滑動(dòng)變阻器正向移動(dòng)時(shí),小電珠兩端的電壓增大,溫度逐漸升高,電阻增大.根據(jù)小電珠的這一特性和上述實(shí)驗(yàn)得到的圖像.我們做出如下總結(jié).
(1) 當(dāng)緩慢移動(dòng)滑動(dòng)變阻器時(shí),由于小電珠兩端電壓變化較慢,小電珠的電阻絲充分發(fā)熱,溫度能夠接近該電壓的“飽和溫度”(由于小電珠發(fā)熱的同時(shí)也在向外放熱,因此,不同的電壓值將會(huì)有對(duì)應(yīng)小電珠的一個(gè)平衡溫度).當(dāng)電壓在0~1 V之間時(shí),小電珠的電流較小,功率小,溫度較低,故對(duì)小電珠的電阻影響不大,所以得到的圖像近似為一條直線.當(dāng)電壓逐漸升高,小電珠的溫度明顯升高,故電阻迅速增大,因而出現(xiàn)了1~2 V之間的電壓增大,電流反而減小的曲線.當(dāng)電壓再繼續(xù)升高,電阻也會(huì)繼續(xù)升高,但此時(shí)的幅度沒有1~2 V之間那么大了,因而出現(xiàn)了2.5 V以后的曲線.
當(dāng)滑動(dòng)變阻器快速移動(dòng)時(shí),小電珠在低電壓情況下來(lái)不及達(dá)到“飽和溫度”,故一開始的直線區(qū)域較長(zhǎng)(0~2 V),2 V以后曲線的斜率明顯變化,說(shuō)明小電珠此時(shí)溫度較高,電阻變化明顯.
最終,當(dāng)滑動(dòng)變阻器停下,小電珠發(fā)熱達(dá)到該電壓下的“飽和溫度”,各種情況下小電珠的伏安特性曲線都交于同一點(diǎn).
(2) 對(duì)于反向移動(dòng)滑動(dòng)變阻器(即小電珠兩端的電壓減小)的曲線,由于小電珠向外放熱的速度較慢(導(dǎo)致小電珠沒有充分放熱),所以電壓減小時(shí),溫度并沒有降低太多,此時(shí)小電珠的電阻沒有太大變化,伏安特性曲線近似為一條直線.
(3) 從圖5中的曲線仔細(xì)分析可發(fā)現(xiàn),反向移動(dòng)滑動(dòng)變阻器得到的伏安特性曲線與非常緩慢正向移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的伏安特性曲線很接近,斜率也近似相同.分析原因,應(yīng)該是正向緩慢移動(dòng)滑動(dòng)變阻器時(shí),當(dāng)電壓達(dá)到一定值后,溫度較高,此時(shí)小電珠向外散熱量較大(而且散熱較充分),導(dǎo)致電壓再升高時(shí),溫度并沒有明顯升高,小電珠的電阻沒有明顯變化.
(4) 綜合圖5中的各條正向移動(dòng)曲線,我們會(huì)發(fā)現(xiàn)如果將各次實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值再繪制曲線,其形狀就與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)曲線相近了.說(shuō)明,不管是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)也好,還是傳感器實(shí)驗(yàn),本著認(rèn)真、科學(xué)的實(shí)驗(yàn)態(tài)度去做實(shí)驗(yàn),最終得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該是相近的.