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．

1 引言

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．

2 問題導(dǎo)引激發(fā)思維

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?

3 追根搠源提升素養(yǎng)

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．