高考物理实验拓展性复习探讨——以“描绘小灯泡伏安特性曲线”实验为例，本文主要内容关键词为：为例论文,灯泡论文,曲线论文,物理实验论文,特性论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
高考试卷中几乎每年出现“拓展性”实验题，它们是以高中物理课本实验为基础，命题者通过改变课本实验的目的、原理、方法、器材、要求、情景等手段，对课本实验进行拓展翻新后设计的新的实验问题。这类试题不但考查实验基本知识与技能，而且特别注重考查实验知识技能的迁移能力和创新能力，这就要求我们在高考实验复习中，不仅要重视课本实验原有的实验原理分析、实验方法讨论、实验器材选择、实验步骤安排、实验数据处理、实验误差分析等内容，而且更要加强实验复习的拓展性，设计新的实验问题供学生讨论，实现实验知识技能的迁移和创新。于此，笔者以高考新增学生实验——伏安特性曲线实验为例撰写本文，供大家复习时参考。
一、课本实验简介
该实验用分压式控制电路和外接法测量电路测定不同状态下小灯泡的电压U和电流I，然后把许多组U、I值在坐标图上描点连线得伏安特性曲线。
二、可能考点分析
变阻器控制电路的选择和特点分析；伏安法测量电路的选择和误差分析；从描绘小灯泡的伏安特性曲线延伸到描绘小灯泡的电功率P与它两端电压平方（U[2]）的关系曲线；从小灯泡元件延伸到热敏电阻、光敏电阻、半导体二极管等其他元件；伏安特性曲线的图线分析；小灯泡的伏安特性曲线与电源的伏安特性图线的比较分析；伏安特性曲线与电路规律相结合图解法电路分析和计算。
三、实验拓展复习
实验拓展1：用图1-4所示的实验器材测绘小灯泡的伏安特性曲线，已知电源电动势为4V，内阻不计，滑线变阻器阻值为0—10Ω，小灯泡标注为“3.8V0.3A”，电流表标注为“0.3A4Ω”，电压表标注为“6V15kΩ”。
为了通过测量得到I-U关系的完整曲线，在4个实验电路中应选择的是图______；简要说明理由：_______。
问题分析：为了通过测量得到I-U关系的完整曲线，灯泡两端电压要求可从0V调到额定电压，调节范围较大，所以变阻器连接应选分压式；同时考虑到小灯泡电阻较小，所以伏安法测量时电流表选择外接法误差较小，因此需选择图3电路。
教学点评：本问题属于理解实验原理的拓展。要求学生正确选择变阻器控制电路接法和伏安法测量电路接法，通过选择实验电路使学生理解分压式和限流式的特点以及外接法和内接法的误差分析，通过实验基本知识的拓展培养学生实验知识迁移能力和实验电路设计能力。
实验拓展2：测定小灯泡在不同电压下的电功率，并且作出小灯泡的电功率P与它两端电压的平方（U[2]）的关系曲线，已知小灯泡标有“6V，3W”的字样，电源是两个铅蓄电池串联组成的电池组，滑动变阻器有两种规格，R[，1]标有“5Ω，2A”，R[，2]标有“100Ω，20mA”，电流表量程有0.6A和3.0A两挡，电压表量程有3V和15V两挡，如图5所示，测量时要求小灯泡两端的电压从零开始，并尽可能测多组数据。
（1）滑动变阻器应选用______，电流表量程选______挡，电压表量程选______挡，把图5中实物连成实验电路。
（2）在如图6所示的P-U[2]图像中，可能正确的是______，理由是______。
问题分析：根据小灯泡的标注“6V，3W”，可知正常发光时最大电压为6V，最大电流为0.5A，所以从安全角度电压表量程应选15V挡，滑动变阻器应选用R[，1]，从读数精确角度电流表量程应选0.6A挡；I与U的关系是I=U/R，P与U[2]的关系是P=U[2]/R，所以可以看出对同一小灯泡，I与U的关系和P与U[2]的关系相同，那么，I与U的关系曲线和P与U[2]的关系曲线应该相类似，都是因为电压增大，灯丝温度升高，灯丝的电阻变大。因此图像选D。
教学点评：本问题属于改变实验目的拓展。实验目的从描绘小灯泡的伏安特性曲线延伸到描绘小灯泡的电功率P与它两端电压的平方（U[2]）的关系曲线，在两个实验中，都需测量不同状态下小灯泡的电压和电流，实验方法完全相同，着重培养学生实验方法的迁移能力；通过I与U关系以及P与U[2]关系的原理分析，发现I与U的关系曲线和P与U[2]的关系曲线应该相类似，从中培养了实验结果的迁移能力；通过实验器材选择和实验电路实物连线，同时也巩固了实验器材的选择能力和实验电路的设计能力及连接能力。
实验拓展3：图7为某一小灯泡的伏安特性曲线，图8为某一热敏电阻（电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感）的伏安特性曲线。
（1）I-U关系图线上的某一点表示什么物理意义？
（2）I-U关系图线都是一条曲线而不是一条过原点的直线，是什么原因？
（3）通过比较分析小灯泡与热敏电阻的伏安特性曲线变化规律，可知两者的导电性能有什么区别？
问题分析：I-U关系图线上的某一点表示该元件在电路中的某一状态，某一点的坐标值表示某一状态下一组I和U值，某一状态下电阻R等于U与I的比值；I-U关系图线是一条曲线，说明I-U关系是非线性关系，不同状态下U与I的比值是变化的，这是因为电阻值随电压变化而变化；因某一状态下电阻R等于U与I的比值，在I-U关系图线上表现为数值上等于图线上某点与坐标原点连线斜率的倒数（注意：不是某点切线斜率的倒数），所以从图7看出小灯泡电阻值随电压升高而增大，从图8看出热敏电阻电阻值随电压升高而减小。
教学点评：本问题既属于改变实验元件的拓展，又属于理解实验结果的拓展。实验元件从小灯泡变化到热敏电阻或光敏电阻、发光二极管等其它元件，通过比较两者的伏安特性曲线变化规律，开阔学生视野，培养学生把实验原理、方法等知识应用到新的实验情景的实验迁移能力；通过加强理解伏安特性曲线的物理意义和比较分析伏安特性曲线的图线变化，重点培养学生理解图象意义和应用图象信息的能力。
实验拓展4：图9为白炽灯L[，1]（规格为“220V 100W”）和L[，2]（规格为“220V 60W”）的伏安特性曲线，图10为电源a和b的伏安特性图线。
图10
（1）根据图9可确定将L[，1]、L[，2]两灯并联在110V的电源上时，L[，1]、L[，2]两灯的实际功率之比大约为______。
（A）1∶2 （B）2∶1 （C）3∶5 （D）5∶3
（2）根据图10可确定电源a、b的电动势和内电阻大小情况为_____。
（A）电源a的内电阻较小、电动势较大
（B）电源a的内电阻较大、电动势较大
（C）电源b的内电阻较大、电动势较小
（D）电源b的内电阻较大、电动势较大
问题分析：根据白炽灯伏安特性曲线的物理意义可知，图线中的某一点表示白炽灯的某一状态，该点坐标可以确定该状态时白炽灯的两端电压和流过电流，所以根据并联规律可知，并联状态下两灯电压都为110V，可从伏安特性曲线中分别找出L[，1]、L[，2]在该状态下所对应的电流值，电压和电流的乘积就是该状态下白炽灯的实际功率，通过计算得功率之比约为5∶3；根据电源伏安特性图线的物理意义可知，图线中的某一点表示闭合电路某一状态，该点坐标可以确定该状态时电源的路端电压和电源的内部电流，所以纵截距表示电源电流为零时（即电源开路时）电源的路端电压值，这就是电源的电动势，横截距表示电源的路端电压为零时（即电源短路时）电源的内部电流值，这就是电源的短路电流，再由闭合电路欧姆定律计算出电源的电动势与电源的短路电流之比，该值即为电源的内电阻，在图像上表现为数值上等于直线的斜率，因此电动势a大，内阻也a大。
教学点评：本问题属于比较实验结果的拓展。通过白炽灯伏安特性曲线的物理意义和电源伏安特性图线的物理意义比较分析，使学生进一步理解相似实验结果的物理意义，培养学生处理相似实验问题的举一反三、融会贯通能力。
实验拓展5：关于伏安特性曲线与电路规律相结合图解法电路分析和计算问题：
（1）直接坐标法电路分析和计算：在图11电路中，电源电压恒为9V，电流表读数为70mA，定值电阻R[，1]=250Ω，定值电阻R[，2]阻值未知。由热敏电阻的I-U关系曲线图8可知，该状态下热敏电阻两端的电压为______V；电阻R[，2]的阻值为______Ω。
图11
问题分析：根据欧姆定律，先算出R[，1]上电流为（9V/250Ω）=36mA，再根据串并联规律，算出热敏电阻支路上电流为（70-36）mA=34mA，然后从热敏电阻I-U关系曲线图8中直接查找34mA的电流值所对应点的坐标（34mA，5.2V），这表明该状态下热敏电阻两端的电压为5.2V，所以该状态下R[，2]电阻值为电压与电流的比值即（9V-5.2V/34mA）=111.8Ω。
（2）交点坐标法电路分析和计算：如图12为一个小灯泡的两端电压与通过它的电流的变化关系曲线，将两个同样的小灯泡并联后再与R=10Ω的定值电阻串联，接在电动势为8V的电源上，电源内阻不计，如图13所示，则该状态下通过电流表的电流为_____A；小灯泡的电阻为_____Ω。
图12
图13
问题分析：设此时小灯泡两端的电压为U，流过每个小灯泡的电流I，根据闭合电路欧姆定律得：E=2IR+U，则代入数据后U与I满足如下关系式：U=8-20I，所以在坐标图上可画出直线U=8-20I和小灯泡伏安特性曲线的交点N，交点坐标为（2V，0.3A），如图14所示，这表明该状态下流过小灯泡的电流为0.3A，小灯泡两端的电压为2V，因此此时流过电流表的电流为0.6A，小灯泡的电阻为R[，L]=U[，L]/I[，L]=2/0.3Ω=6.7Ω。
图14
教学点评：本问题属于应用实验结果的拓展。因电阻随所加的电压变化而变化，伏安特性曲线呈现非线性关系，所以电路分析计算问题只能借助曲线来讨论求解，教学中应该报导学生在重点理解伏安特性曲线物理意义的基础上，通过应用图像信息，结合电路规律，利用图解法进行电路分析和计算，重视培养学生理论与实验相结合的探究能力，应用数学工具处理物理问题的能力。