延伸習(xí)題內(nèi)涵，拓展科學(xué)思維

黃超華 陳來(lái)南

【摘要】本文以2021年廣東省一模第12題為例探析二極管的動(dòng)態(tài)電阻，總結(jié)此類題目解題方法，拓展學(xué)生科學(xué)思維，提升學(xué)生科學(xué)探究能力。

【關(guān)鍵詞】高中物理;高考模擬題;二極管;動(dòng)態(tài)電阻;習(xí)題內(nèi)涵

一、問題的提出

二極管在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中是一種常見的電學(xué)元件，是高考中對(duì)電路伏安特性曲線、多用電表使用等電學(xué)規(guī)律進(jìn)行綜合考察的重要電子元件。二極管內(nèi)容在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中要求學(xué)生掌握其單項(xiàng)導(dǎo)電性，對(duì)二極管動(dòng)態(tài)電阻沒做要求，但是新高考注重情境化命題考查學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)思維能力，二極管動(dòng)態(tài)電阻也可能成為新高考的命題方向。例如，2021年3月廣東省一模考試第12題出現(xiàn)了二極管動(dòng)態(tài)電阻的內(nèi)容。筆者就此題情境結(jié)合二極管動(dòng)態(tài)電阻知識(shí)分析此類題目解法，以期各位同仁斧正。

二、習(xí)題原題及解答

（2021年廣東省第一次模擬考試第12題）某探究小組研究常用的二極管伏安特性曲線，他們使用儀器如下：多用電表、穩(wěn)定電源（電壓能調(diào)節(jié)）、滑動(dòng)變阻器（最大電阻為10Ω）、靈敏電流計(jì)G、電壓表、兩個(gè)規(guī)格一樣的常規(guī)二極管（電路圖的符號(hào)為“”）、開關(guān)S1，S2和若干條導(dǎo)線，連成如圖甲的電路圖。

實(shí)驗(yàn)探究如下，請(qǐng)按要求完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

（1）標(biāo)識(shí)二極管的極性：開關(guān) S1和 S2先斷開，將多用電表開關(guān)調(diào)節(jié)到“×1 Ω”檔位，將紅、黑表筆先后接a、a'時(shí)觀察到多用指針偏轉(zhuǎn)比較小;將紅、黑表筆分別接b、b'時(shí)偏角卻非常大。請(qǐng)?jiān)趫D甲中的兩個(gè)虛框內(nèi)畫出二極管的方向電路圖示意圖。

（2）參考（1）的研究?jī)?nèi)容，開始研究二極管的正向特性：調(diào)節(jié)穩(wěn)定電源對(duì)外輸出電壓到某一適當(dāng)值，開關(guān) S1閉合，開關(guān)S2應(yīng)該接在____（選填“1”或“2”）端，由A 向 B逐漸移動(dòng)滑動(dòng)變阻器上面的滑片P，使常規(guī)二極管兩端的電壓由0逐漸遞增;某次觀察到電壓表指針如圖乙所示，則此時(shí)的電壓值可得___V;記錄多組電壓表和對(duì)應(yīng)電流表的讀數(shù)。根據(jù)收集的數(shù)據(jù)描繪出該二極管的正向伏安特性曲線如圖丙所示。

（3）根據(jù)圖丙描繪的伏安特性曲線，當(dāng)常規(guī)二極管兩邊加的正向電壓>0.5V后，它的正向電阻如何隨電壓變化？____。常規(guī)二極管的正向電阻最后的值會(huì)趨于__Ω。

解釋：

（1）多用電表歐姆檔黑表筆接內(nèi)置電源正極，紅、黑表筆分別接a、a'時(shí)發(fā)現(xiàn)多用指針偏角很小說(shuō)明電阻較大，是反向電阻。反之亦然，電路如圖示。

（2）題目要求研究二極管正向特性，開關(guān)S2 接在“1”端，此時(shí)的電壓值為0.80V。

（3）其正向電阻隨電壓的增大而減小， 當(dāng)電壓大于某值時(shí)， 電阻趨于穩(wěn)定值;二極管的正向電阻最終會(huì)趨于4.0Ω

這道實(shí)驗(yàn)題第三問涉及到二極管的動(dòng)態(tài)電阻的知識(shí)，對(duì)學(xué)生影響很大。如果教師授課時(shí)沒有跟學(xué)生滲透二極管動(dòng)態(tài)電阻的知識(shí)，學(xué)生就會(huì)找各點(diǎn)到原點(diǎn)連線的倒數(shù)作為二極管電阻，怎么也找不到一個(gè)定值，一連兩個(gè)空都會(huì)丟分。

三、習(xí)題內(nèi)涵延伸

二極管是用半導(dǎo)體材料經(jīng)過(guò)特殊工藝加工的一種電子元件，在電路中呈現(xiàn)單向?qū)щ娦阅埽O管的主要原理是利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赑N結(jié)上加上引線和封裝就成了一個(gè)二極管。當(dāng)二極管沒有在外加電壓時(shí)，由于PN結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場(chǎng)引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當(dāng)外界有正向電壓偏置時(shí)，外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)的互相抑消作用使載流子的擴(kuò)散電流增加引起了正向電流。當(dāng)二極管中通有正向電流，二極管兩端就有一定的電壓，如果二極管兩端電流I0穩(wěn)定，兩端的電壓U0也是穩(wěn)定值，此時(shí)二極管的靜態(tài)阻值是一個(gè)定值：，如果二極管中的電流發(fā)生變化時(shí)，二極管兩端的電壓也隨著發(fā)生變化，當(dāng)二極管中的電路產(chǎn)生一個(gè)微小的電流變化量di時(shí)，二極管兩端的電壓也相應(yīng)有一個(gè)微小的電壓變化量du，動(dòng)態(tài)電阻就是這電壓變化量du與電流變化量di比值：。二極管正向的動(dòng)態(tài)電阻在小電流時(shí)比較大，隨著電流的增大動(dòng)態(tài)電阻隨著減小。

回到原題，二極管并接在分壓電路上，電路開始時(shí)滑動(dòng)變阻器的滑片在最左端A處，二極管兩端電壓為零，二極管短路，滑動(dòng)變阻器滑片P由A移向B過(guò)程中，通過(guò)二極管的電流由零開始增大，二極管兩端電壓增加，二極管產(chǎn)生動(dòng)態(tài)電阻：。題目（3）問：“二極管的正向電阻最終會(huì)趨于___Ω”，關(guān)鍵詞“趨向”也在提示此題求二極管動(dòng)態(tài)電阻，取二極管伏安特性曲線的直線段的倒數(shù)計(jì)算得R=4.0Ω。

題目（3）另一個(gè)解法：“二極管的正向電阻最終會(huì)趨于___Ω”，關(guān)鍵詞“趨向”可取二極管電壓無(wú)窮大，再畫一條過(guò)原點(diǎn)的漸近線，漸近線的斜率近似等于二極管伏安特性曲線的直線段斜率，取二極管伏安特性曲線的直線段的倒數(shù)計(jì)算得出R=4.0Ω。

四、反思與建議

新高考改革背景下，高考試題設(shè)計(jì)以物理學(xué)科核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，更加注重理論聯(lián)系實(shí)際，結(jié)合生產(chǎn)生活、現(xiàn)代社會(huì)及科技發(fā)展設(shè)計(jì)試題情境，凸顯物理學(xué)科在解決實(shí)際問題特別是重大科技問題中的應(yīng)用價(jià)值，考查學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。二極管內(nèi)容雖然在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中只要求掌握單向?qū)щ娦裕前凑宅F(xiàn)在高考情境化命題方向，二極管很可能成為將來(lái)一個(gè)命題方向，教師在平常教學(xué)中一定要滲透二極管動(dòng)態(tài)電阻的知識(shí)，不要讓簡(jiǎn)單的二極管題目成為學(xué)生過(guò)不去的坎。

[本文系河源市教育教學(xué)研究院立項(xiàng)課題“基于物理核心素養(yǎng)的高中物理有效教學(xué)策略研究”（項(xiàng)目編號(hào)：hy21061）研究成果]

參考文獻(xiàn)：

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[3]清華大學(xué)電子學(xué)教研組編.面向21世紀(jì)課程教材模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）[M].高等教育出版社，2015.

[4]黃超華.厘清物理概念 拓展科學(xué)思維——2021年高考物理全國(guó)甲卷第34題賞析[J].中學(xué)物理教學(xué)參考（中旬·學(xué)研），2021（10）：58-59.

責(zé)任編輯? 鐘春雪