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提升学生科学探究能力的高中物理数字化实验教学--以测绘小灯泡的伏安特性曲线为例新课标人教版必修3课本中已经把“测绘小灯泡的伏安特性曲线”这个实验删除了，但课程标准在必修3中《3.2电路及其应用》的内容要求为：知道滑动变阻器的工作原理，通过I-U图像了解材料的电阻特性。活动建议中提出：分别测绘电炉丝、小灯泡、半导体二极管的I-U特性曲线，对比它们的导电性能和特点。因此，条件允许的情况下应该组织学生进行测绘小灯泡的伏安特性曲线的实验，该实验是学生掌握滑动变阻器工作原理的关键。在该实验的实际教学中，有些学校在实验室安排时对仪器考虑不多，实验室有什么器材实验时就用什么器材，导致学生在具体操作的时候问题较多，要么不成功，要么成功了效果不理想，学生实验变成了走过场，降低了实验科学验证的权威性和科学性。笔者借助矩道3D实验室虚拟仿真平台和传感器就该实验中容易忽略的几个问题进行分析讨论，在问题的解决过程中提升学生的科学探究能力。1.为什么要选择小灯泡测绘伏安特性曲线学生未经历测绘小灯泡的伏安特性曲线的实验过程，并不了解小灯泡（钨丝）是典型的非线性元件，在电路分析中也往往会将小灯泡等效处理为定值电阻。为什么选择小灯泡测绘伏安特性曲线，是课堂引入的关键。借助电流传感器分别获取定值电阻和小灯泡在闭合开关瞬间的I-t图像，对比两个元件对电流的阻碍作用，可以发现小灯泡不同于定值电阻的电阻特性的地方：通电瞬间阻值突然增大，然后恒定不变。明显的现象差异很容易让学生提出疑问：小灯泡具有怎样的电阻特性？产生这种突变的原因是什么？期待着能通过测绘小灯泡的伏安特性曲线来了解其电阻特性，进而解释通电瞬间电阻突然变大的原因。图2是10Ω定值电阻的I-t图像，图4是2.5V，0.3A小灯泡的I-t图像。图1图2图3图42.小灯泡规格的选择实验室常用的小灯泡有2.5V，0.3A、3.8V，0.3A和4.8V，0.3A三种规格。从理论上来讲，这几种规格的小灯泡都可以进行实验，但具体到该实验操作中要根据电表规格进行选择。中学实验室常配的电压表为3/15V，电流表为0.6/3A，均是两种量程。建议引导学生进行选择：选择哪一种规格的小灯泡能更便捷地测绘出完整的伏安特性曲线？小灯泡的额定电流为0.3A，因此选择0.6A的电表量程，读数可以精确到0.01A。为了减小指针式电表读数误差，测量时要求指针偏转尽量接近于满偏，因此要选择额定电压与电表量程接近的小灯泡；同时要测绘完整的伏安特性曲线，考虑到电源内阻的分压效应，小灯泡额定电压应略低于电表量程，这里只有2.5V小灯泡最合适。在习题中，经常出现3.8V/0.3A规格的小灯泡，若学生提出选用该规格的小灯泡，引导学生进行思考：干电池用几节？电表量程如何改装？鼓励学生设计探究方案，将需要用到的器材罗列出来，尽可能地支持学生的探究计划，使学生在实际操作中提升设计探究和实施探究方案的能力。老师可以向学生展示应用电流和电压传感器测绘小灯泡的伏安特性曲线，图5是2.5V小灯泡的伏安特性曲线，图6是3.8V小灯泡的伏安特性曲线，均为传感器采集数据自动绘制。当仪器设备精度和灵敏度提高以后，不仅对实验中小灯泡的规格选取降低了限制，数据的采集和分析也更便捷准确，学生会意识到设备的改进能有效地提升实验范围和效率，在实验方案的设计环节有了更多的发挥空间。为了论述方便，下文中涉及到的小灯泡均为2.5V，0.3A的规格。图5图6二、滑动变阻器限流式接法1.限流式接法可行性尝试通过理论学习，学生知道滑动变阻器限流式接法无法实现电压从零开始调控，导致测绘的伏安特性曲线因缺乏原点附近的数据而不完整。选用最大阻值为20Ω的滑动变阻器进行限流式调节，通过指针式电表读取数据，Excel表格绘制图像，如图7所示，此时曲线较不完整会影响对小灯泡电阻特性的完整分析。但若增大滑动变阻器的最大阻值，则可以扩大电压调节范围而使曲线趋于完整，引导学生提出质疑：若更换一个超大阻值的滑动变阻器进行限流式调节，能否测绘出完整的伏安特性曲线？选用最大阻值为200Ω的滑动变阻器进行限流式调节，通过指针式电表读取数据，Excel表格绘制图像，如图8所示，此时曲线趋于完整，理论上0V，0A的点也可以添加进来，则几乎是完整的伏安特性曲线了。但该曲线中小灯泡的非线性电阻特性不显著，引导学生提出猜想：会不会是由于滑动变阻器阻值过大调节灵敏度低导致的测量误差？基于猜想改用传感器采集数据自动绘制曲线进行对比，如图9所示，该图中小灯泡的非线性电阻特性就非常显著。可见，选用200Ω的滑动变阻器采取限流式接法调节电压时，在使用传感器采集数据的情况下也可以绘制出完整的伏安特性曲线，若用指针式电表测量读取数据则会误差较大。图7图8图9图102.限流式接法实操难度分析虽然使用阻值较大的滑动变阻器调节电路，几乎可以实现电压从零