“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验应注意的问题探讨

“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验应注意的问题探讨

孟晨曦 ,庞礼军*

(贵州师范大学  物理与电子科学学院  贵州  贵阳  550025)

摘 要：“描绘小灯泡的伏安特性曲线”是高中物理重要电学实验之一。高中实验是在初中相关实验的基础上改变电路的连接方式（限流到分压）从而收集到更多数据描绘出小灯泡的伏安特性曲线，研究了小灯泡电阻在某一电压范围内变化时的电阻变化情况。为提高课堂实验的效率和精度，笔者从滑动变阻器、小灯泡故障判断与排除、图像与分析3个方面总结了做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中应注意的若干细节。

关键词：伏安特性曲线；小灯泡；细节

1 滑动变阻器

1.1滑片的初始位置

在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，一般对滑动变阻器采用分压式接法，使负载在小灯泡两端的电压调节范围变大。在用电器用导线连接完成，闭合开关之前，老师一般会要求学生将滑片滑到与小灯泡并联部分阻值最小处（为零）。但是开始实验闭合开关后，很多小组的学生都出现了小灯泡很亮导致灯泡灯丝烧断的现象。为什么会出现这种现象呢？本是想会不会因为学生没有按照老师的要求进行实验操作，但是在核查中发现，出现灯丝烧断情况的学生，正是“听了老师的提醒”，将滑片滑到与小灯泡并联部分阻值最小处，但是谁知出错的学生对最大阻值处的判断有误，反倒弄巧成拙，将滑片滑到了与小灯泡并联部分阻值最大处。从而导致闭合开关的瞬间小灯泡两端电压过大，灯丝烧断。

针对这一现象，为达到节约资源成功进行实验的目的，对实验教学过程进行反思，得出以下2个解决方案：其一，抽检个别小组闭合开关前的电路连接情况，对有误的地方进行指导改正，再让其小组成员检查其他小组的连接情况；其二，让学生在闭合开关前将滑动变阻器的滑片滑到中间位置，使其闭合开关的瞬间不至于使小灯泡两端电压太大，从而出现损坏灯泡的情况[1]。

1.2移动变阻器的滑片

   “描绘小灯泡的伏安特性曲线”其中一个重要的中心环节：调节滑动变阻器，记录电压表和电流表的示数，但在实际的操作中，会发现同学们对如何调节滑动变阻器进行数据记录有自己不同的参照。有的同学每次滑动同样的长度来记录数据[2]，有的同学是通过使电压变化量相同来调节滑动变阻器。如何移动变阻器的滑片更有利于实验分析？

一部分同学是通过每次滑片移动同样的长度，来读取不同数据的，但是因为滑动变阻器的阻值有限，若每次滑动的距离较长，没取到几组数据就已经滑到滑动变阻器的另一端，导致某段图线的数据不够详细，所以这样测得的数据还不足以准确描出曲线的大致图像。其次，还因滑动相等的长度是用肉眼进行度量的，并不准确，在图中就体现为点与点之间间隔忽大忽小，从而导致误差，如图1所示。

图1 以滑片移动的长度为参照的I-U关系

另一部分同学调节滑片是参照电压读数的变化，使每次滑动滑片前后小灯泡的电压变化量尽可能相同来进行调节，有了这样更精确的定量参照，使同学们在绘图描点时点的分布更有规律，最后描绘出的伏安特性曲线，也与理想状态吻合的更好，如图2所示。

图2 以电压变化量相近为参照滑动滑片的I-U关系

2 小灯泡故障判断与排除

图3 连接实物线路

当同学们如图3所示连接好电路后，闭合开关，移动滑片，发现两表均有示数，但灯泡不亮。于是就果断判定是灯泡坏了，这样分析故障的判断过于片面。在遇到这种情况时，教师要引导同学们对所遇情况进行有条理的分析：其一，若是灯泡断路，则应该电压表有示数而电流表无示数；其二，若是灯泡短路，那么电流表示数应该很大，甚至超过量程并且电压表没有示数。而现在电压表和电流表都有示数，说明并不是小灯泡的故障，那我们就要从其他方面着手来考虑。小灯泡没有故障说明有电流通过小灯泡，但又不亮，那么就可以分析得出可能是由于通过灯泡的电流很小，由焦耳定律可得灯丝发出热量还很少，其热量还不足以使灯泡发光[2]。

当然在实验过程中可能遇到的故障还有很多，例如灯泡断路就有很多种情况，如是之前小灯泡就已经烧坏或小灯泡与灯座没有旋紧等。所以老师要在学生遇到实验故障时及时引导，进行故障分析与排除。

3 图像与分析

3.1曲线的描绘

在实验中伏安特性曲线最终呈现的是非线性关系，引导学生对采集数据在I-U图中散点用一条光滑的曲线，成为了一个难点。但在实际的教学过程中笔者发现教师常常忽略了对这一点的引导，导致学生不能理解必须用光滑曲线连接的原因。

在实验中通过调节滑动变阻器得到了小灯泡很多组电流和电压的数据，把这些数据在I-U图像中描点然后依次用直线连接起来，这样可以得到一条折线，但因为真正的伏安特性曲线是由无数个点组成的，所以这个折线近似于真正的图像，但是当取的点非常非常多的时候，就会发现得到的折线越来越平滑，当然也越来越近似于真正的图像，当取的点多到一定程度，再将点连接起来，看上去已经是平滑的曲线了。因此教师在教学过程中要重点关注学生出现连成折线的情况，一定要对学生进行及时的纠正和引导。

3.2伏安特性曲线的图像分析

在分析实验测得数据所描绘的伏安特性曲线时，很多学生甚至部分老师在分析伏安特性曲线时认为在前一段电压较小0-0.1V时I随U的变化是线性的，小灯泡电阻不变；0.1-0.4V呈现出图像的非线性，小灯泡电阻发生变化，根据斜率判断小灯泡电阻，在这一阶段小灯泡电阻是越变越小的。从0.4到小灯泡的额定电压，伏安特性又近似变为线性，小灯泡电阻几乎不变，如图2所示，这样分析显然有误。0-0.1V图像过原点近似呈线性变化，电流与电压近似成正比关系，那么灯丝电阻的确是几乎不变的；但0.1-0.4V图线弯曲，这个电压范围的电阻应该用图线上某点所对应的电压除以电流得到，可得出这个电压范围的电阻在变大，但是变化得并不快，所以认为“电阻在这一阶段越变越小”判断有误；从0.4到小灯泡的额定电压，图像的线性关系没有过原点也就说电流与电压不成正比，说明小灯泡的电阻并不稳定，图线上某点的电阻可由定义式计算得出，或是将图线上的某几个点与原点连接，通过比较其斜率来求出电阻的变化情况。通过比较可知，随着电压和电流的不断增大，小灯泡的电阻不断增大，当小灯泡两端电压达到额定电压时，灯丝温度升高，小灯泡的电阻达到最大值。

总之，“描绘小灯泡的伏安特性曲线”这个实验有很多细节问题值得重视，要重视实验在培养学生物理科学探究过程中的重要价值和作用。通过变易思维，深度反思，引导学生辩证看待实验中的问题。这样学生才能圆满地做好实验。

参考文献

[1]须雪忠,王凯.“描绘小灯泡的伏安特性曲线”中的几个误区[J].物理教学,2010,32(06):22-23+59.

[2] 吴昊,沈文炳.“测绘小灯泡的伏安特性曲线”的教学思考[J].湖南中学物理,2022,37(05):46-48.

[3] 陈正毛.做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验应注意的若干问题[J].物理教师,2004(09):24-25.

*通讯作者：庞礼军（1973-），男，贵州贵阳人，教授，研究方向：原子与分子物理；课程与教学论；学科教学（物理）。

作者简介：孟晨曦（1996-），女，四川成都人，研究生