孫東振

摘? ?要：電學(xué)圖象可以幫助學(xué)生更加直觀深刻地理解電路，是學(xué)生電學(xué)學(xué)習(xí)的語言和工具。以典型電學(xué)題為例，通過Dislab實(shí)驗(yàn)畫出其圖象，解析圖中的各種物理意義。體現(xiàn)傳感器在電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中探究性強(qiáng)的特點(diǎn)，讓課堂教學(xué)更加生動(dòng)，更加高效。

關(guān)鍵詞：初中物理;電學(xué)圖象;Dislab

學(xué)生對圖象的理解是一個(gè)由具體到抽象的思維過程，需要學(xué)生具備一定的抽象思維的能力，這個(gè)理解過程除了常見的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)中得出圖象之外，其他的圖象通常都是老師在黑板上推導(dǎo)得出的，有時(shí)學(xué)生難以理解是很常見的[ 1 ]。在平時(shí)的教學(xué)過程中，教師要更多的立足于實(shí)驗(yàn)探究的基礎(chǔ)上，來幫助學(xué)生理解物理概念，也體現(xiàn)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)的理念。

1? 提出問題

【例題1】如圖 1電路中，電源電壓不變，R1 為定值電阻，R2為滑動(dòng)變阻器.閉合開關(guān)S，移動(dòng)滑片P，多次記錄電壓表示數(shù)U和對應(yīng)的電流表示數(shù)I，則繪出的U﹣I關(guān)系圖象正確的是（? ? ?）。

問題：這道題是一個(gè)非常典型的電學(xué)圖象題，學(xué)生對歐姆定律實(shí)驗(yàn)非常的熟悉，當(dāng)電阻一定時(shí)，電流與電壓成正比，所以定值電阻R1的U-I圖象是一條傾斜向上的直線。但是對實(shí)驗(yàn)電路圖中滑動(dòng)變阻器的U-I圖卻非常的困惑，原因就是滑動(dòng)變阻器的阻值、流過滑動(dòng)變阻器的電流以及滑動(dòng)變阻器兩端的電壓這三個(gè)量在這個(gè)動(dòng)態(tài)過程中都在變化，很多教師在教學(xué)過程中自己也沒有理解，學(xué)生就更不好理解。很多的同學(xué)把表達(dá)式寫成U=RI，然后和數(shù)學(xué)里面的一次函數(shù)表達(dá)式y(tǒng)=kx聯(lián)系起來，認(rèn)為滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)，阻值的變化反應(yīng)的是U-I曲線斜率的變化，若將滑片從右往左滑動(dòng)，R變小，對應(yīng)曲線傾斜程度越來越小，所以選B。

這種理解存在兩個(gè)問題，首先是k=y/x只有是一個(gè)定值時(shí)可以表示過原點(diǎn)的一次函數(shù)圖象直線的斜率，一般情況只能表示圖象中每個(gè)點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率，曲線的某一點(diǎn)的斜率必須用k=Δy/Δx表示。另外B圖中曲線的斜率明顯是個(gè)負(fù)數(shù)，而實(shí)際電阻阻值是不可能為負(fù)值的。

解析：實(shí)際上這題答案是A，分析電路首先可以判斷當(dāng)滑動(dòng)變阻器的阻值減小，其兩端電壓減小的時(shí)候，電路中的電流會(huì)增大，也就是電流增大時(shí)電壓會(huì)變小，那就排除了C和D兩個(gè)選項(xiàng)。再考慮滑片在兩端的情況，滑片在最左邊時(shí)阻值為零，電壓表示數(shù)為零，此時(shí)電流為最大值。當(dāng)滑片在最右端時(shí)，電流為最小值，電壓達(dá)到最大值，此時(shí)電壓是一個(gè)定值，而不會(huì)象B選項(xiàng)一樣趨近于無窮大，所以就只能選A。應(yīng)用排除法可以幫學(xué)生做對題，但卻達(dá)不到讓學(xué)生理解電路圖象的目的。

2? 用Dislab傳感器實(shí)驗(yàn)畫出電學(xué)圖象

為了讓學(xué)生更好地理解，更多時(shí)候我們可以立足實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)探究的基礎(chǔ)上再去思考和理解，可以讓學(xué)生更深入地讀懂物理。Dislab實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中有電流和電壓傳感器，在傳統(tǒng)的電學(xué)實(shí)驗(yàn)器材基礎(chǔ)上，使用電流、電壓傳感器將電路動(dòng)態(tài)過程中的電流、電壓值用圖象實(shí)時(shí)的顯示出來，會(huì)使整個(gè)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的效率大大提高，非常適合教師在平時(shí)對一些復(fù)雜化之后的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，非常方便。課上現(xiàn)場搭的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)采用了學(xué)生實(shí)驗(yàn)電源，電源電壓調(diào)到6 V，定值電阻10 Ω，滑動(dòng)變阻器最大阻值20 Ω。實(shí)驗(yàn)先將滑動(dòng)變阻器調(diào)到最大阻值，然后慢慢滑動(dòng)滑片，電流傳感器與電壓傳感器將數(shù)值傳到計(jì)算機(jī)顯示出來，數(shù)據(jù)為表1，圖象如圖3所示。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖象可以很清楚的看到，滑動(dòng)變阻器的U-I圖象是一條傾斜向下的斜線段。

3? 深入分析，挖掘圖象更多信息

【例題2】如圖4，電源電壓保持恒定，電路中R1為定值電阻，R2為滑動(dòng)變阻器，最大阻值20 Ω。將滑動(dòng)變阻器的滑片從最左端向右移動(dòng)到某位置的過程中，電壓表V的示數(shù)變化量為ΔU2，電流表A的示數(shù)變化量為ΔI，測得值_______（填“増大”“減小”或“不變”）?；谧钭蠖藭r(shí)，電壓表示數(shù)是0，電流表示數(shù)是0.6 A;滑片在最右端時(shí)，電壓表示數(shù)4 V，電流表示數(shù)0.2 A，求R1=? ? ? ? ? ? ? Ω，電源電壓U=_______V。

分析與解答：R1和R2串聯(lián)，滑片向右移動(dòng)R2阻值增大，兩端電壓增大，電路電流減小，該動(dòng)態(tài)過程中，由圖2可知滑動(dòng)變阻器U-I圖象是條直線段，而顯示為該直線段的斜率絕對值，所以不變。然后由滑動(dòng)編組器在最左端時(shí)電源電壓等于R1電壓，在最右端時(shí)電源電壓等于R1兩端電壓加R2兩端電壓之和。列兩個(gè)關(guān)于電源電壓U和R1阻值的二元一次方程組，解方程得R1=10 Ω，U=6 V。

由于在初中階段，學(xué)生沒有電源內(nèi)阻的概念，更沒有做過測量電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)，所以對這類題目的分析只能用最簡單的電路各物理量之間的關(guān)系來解決。對圖象再深入分析解題可以簡單很多，R1電壓與R2的電壓之和始終等于電源電壓，所以R1兩端電壓變化量與R2兩端電壓變化量互為相反數(shù)，而它們電流又相等，所以有|ΔU2/ΔI|=ΔU1/ΔI=R1，所以ΔU2/ΔI值不變。另外，如果假設(shè)R2是一個(gè)可以繼續(xù)向右滑動(dòng)的變阻器，那么R2兩端的電壓會(huì)繼續(xù)增大，無限趨向于電源電壓U，所以做輔助線延長R2的U-I線段，與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)即為電源的電壓6V，如圖5所示。

為了幫助學(xué)生理解，可以將R2用更大的滑動(dòng)變阻器替代，如換成最大阻值為200 Ω的滑動(dòng)變阻器之后，用Dislab傳感器實(shí)驗(yàn)得到R1的U-I圖象如圖6所示，R2的圖象如圖7所示。由實(shí)驗(yàn)圖象可以看到，實(shí)驗(yàn)圖象與理論圖象非常相符，R2線段的向左的變化更加趨近與（0 A，6 V）這個(gè)點(diǎn)。理論推導(dǎo)聯(lián)系實(shí)踐實(shí)驗(yàn)之后學(xué)生對電學(xué)圖象就有了更加深刻的理解。

4? 總結(jié)

將Dislab傳感器應(yīng)用于電學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以提高課堂教學(xué)效率，可以幫助學(xué)生更好地理解電路動(dòng)態(tài)過程中的圖象，特別是初中階段，學(xué)生對電學(xué)的學(xué)習(xí)不能過于抽象，需要多在實(shí)驗(yàn)探究的基礎(chǔ)上分析解決問題，從而加深物理觀念和科學(xué)思維的形成。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊宇紅.電學(xué)非常規(guī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的圖象法處理[J]].物理教學(xué)探討，2015（11）：46-47.