初中物理“伏安法測電功率”實驗賞析

“伏安法測電阻”在初中物理教學(xué)中非常重要，它可以對電學(xué)實驗起到綜合提高的作用，能再現(xiàn)科學(xué)探究的全過程，在探究過程中發(fā)掘?qū)W生的潛能和智慧，在探究過程中體現(xiàn)情感、態(tài)度和價值觀，現(xiàn)在就以解析此實驗為基礎(chǔ)，來縱觀初中物理實驗和實驗中對學(xué)生能力的培養(yǎng)過程。

現(xiàn)有器材：電壓表（量程有“0-3V”和“0-15V”），電流表（量程有“0-0.6A”和“0-3A”），滑動變阻器（規(guī)格分別為“5Ω 1A”、“10Ω 1A”、“10Ω 0.3A ”），開關(guān)，實驗用3節(jié)新蓄電池和導(dǎo)線若干。利用這些器材測量一個額定電壓為3.8V的小燈泡的電功率。小燈泡的額定功率大概在1.5W左右。請思考：

1.實驗原理

解析：實驗原理：P=UI。在初中知識條件下，不能直接用一種儀器測出小燈泡的電功率。因此只能采用間接測量的方法來測小燈泡的電功率。用電壓表測出小燈泡兩端的電壓，用電流表測出小燈泡中通過的電流，利用公式P＝UI計算出小燈泡的電功率。在額定電壓下測出的電功率就是小燈泡的額定功率。在其他電壓下測出來的電功率是小燈泡的實際電功率。這是物理學(xué)中常用的一種間接測量方法，這種方法又被稱為“伏安法”測電功率。初中實驗用到這種間接測量方法的還有很多。比如：測導(dǎo)體的電阻R，它的原理：R=■；測物質(zhì)的密度ρ，它的原理是ρ=■等等。

2.設(shè)計實驗電路

解析：如圖1所示，由于小燈泡的電阻較小，根據(jù)電流表和電壓表的內(nèi)阻特點和串、并聯(lián)電路的電流、電壓特點，為了減小實驗誤差，本實驗電路設(shè)計時應(yīng)該采用圖1所示的接法。

3.正確連接實物圖

如圖2所示，是實驗時連接的實驗電路，其中有根導(dǎo)線連接錯誤。請你在錯誤的導(dǎo)線上畫“×”，并用筆畫線代替導(dǎo)線畫出正確的導(dǎo)線。

解析：正確改正后的實物圖如圖3所示。

連接實物圖要注意以下幾點：

（1）串聯(lián)并聯(lián)要分清。除了電壓表以外，其余的器材應(yīng)該串聯(lián)起來，最后把電壓表并聯(lián)在燈泡兩端。

（２）“兩表”量程別弄錯。考慮電壓表量程的選擇。由于燈泡的額定電壓為3.8V，所以電壓表應(yīng)該選用“0-15V”量程。

怎樣選擇電流表的量程呢？先估算出小燈泡正常工作時的電阻（10Ω）左右。然后估算通過小燈泡的最大電流（在實驗操作時，小燈泡兩端允許的最大電壓為1.2U額，所以最大電流在0.46A左右），故電流表的量程應(yīng)該選“0-0.6A”。

（３）準確選用合適的滑動變阻器。由于電路中最大電流在0.46 A左右，所以規(guī)格為“10Ω 0.3A ”的滑動變阻器不能用。其余兩個滑動變阻器的電流參數(shù)都能滿足實驗要求，但是，實驗中當(dāng)小燈泡兩端電壓為3.8V時，滑動變阻器的兩端電壓接近2.2V（導(dǎo)線電阻和電源自身電阻存在），此時電路中電流約為0.4A（燈泡正常發(fā)光時的電流），可算出此時滑動變阻器接入的電阻約為5.5Ω。如果燈泡兩端電壓再減小，則滑動變阻器需要接入的電阻值還需增大。所以規(guī)格為“5Ω 1A”滑動變阻器電阻參數(shù)不能滿足要求。最后應(yīng)該選用規(guī)格為“10Ω 1A”的滑動變阻器接入電路。

（4）“一上一下”接好它。滑動變阻器正確接法是“一上一下”接。如果都接在上面的C、D兩個接線柱。滑動變阻器接入電阻約為零。無論怎樣移動滑片都不能改變燈泡兩端電壓和通過電燈泡的電流，不但起不到控制被測燈泡的電流和電壓的作用，而且易燒壞器件。如果都接在下面A、B兩個接線柱上，滑動變阻器接入電阻為自身固定最大電阻值。無論怎樣滑動滑片也不能改變接入電路中電阻的大小，所以不能改變燈泡兩端的電壓和通過的電流。

4.操作正確規(guī)范

糾正錯誤過后，小明同學(xué)剛接好最后一根導(dǎo)線，立即看到燈泡發(fā)出明亮的光，在一旁觀察的老師，提醒小明實驗操作中有問題，請你幫助小明找出實驗操作中兩個操作不當(dāng)之處：

① ；② 。

解析：（１）連接導(dǎo)線時開關(guān)沒有斷開。正確操作是開關(guān)斷開連接導(dǎo)線。連接完后檢查無錯后，才閉合開關(guān)。

（２）滑動變阻器滑片沒有放在自身接入電阻最大處。正確操作是開關(guān)閉合前，滑動變阻器滑片應(yīng)放在自身電阻最大處，這樣才能保護電路。圖3中滑片應(yīng)放在最右邊。避免燈泡或電表燒壞從而保護電路。

5.電路故障排除

小明糾正錯誤后，閉合開關(guān)，滑動變阻器滑片，電路正常工作。正在記錄數(shù)據(jù)過程中，突然燈泡不亮了。就其故障原因，在旁觀察的老師提出了以下可能情況：

A．可能是小燈泡燈絲斷了 B．可能是小燈泡短路

C．可能是變阻器斷路 D．可能是電流表斷路

E．可能是電壓表短路

請你借助連在電路中的電流表和電壓表的示數(shù)，找出故障位置，填入下表。

6.實驗數(shù)據(jù)收集處理

小明在老師的指導(dǎo)下，故障排除后，繼續(xù)試驗，收集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理如下表：

老師發(fā)現(xiàn)小明所收集的數(shù)據(jù)中有些數(shù)據(jù)是沒經(jīng)過實驗憑空捏造填上的，老師還發(fā)現(xiàn)小明算出燈泡額定功率是錯誤的。請你指出小明錯誤原因并加以改正。

解析：（１）小明有兩組實驗數(shù)據(jù)是憑空捏造的：首先很明顯是的最后一次實驗數(shù)據(jù)。因為電源由3節(jié)蓄電池組成只有6V，導(dǎo)線和電源都有電阻，燈泡兩端的電壓不可能達到6V。還有，燈泡兩端電壓一般不能超過額定電壓的0.2倍左右，這里燈泡兩端電壓6V遠遠超過其額定電壓的0.2倍，所以燈泡在此情況下瞬間被燒壞，也不可能收集到數(shù)據(jù)。其次第一組實驗數(shù)據(jù)也是憑空捏造的，即使第一次實驗時，滑動變阻器阻值全部接入電路，小燈泡兩端的電壓也會高于1.4V，電路中的最小電流也要比0.20A大得多。

（２）額定功率是指額定電壓下工作時的功率。不是小明求平均功率得出額定功率，小明犯了概念性錯誤。本實驗得出小燈泡的額定功率應(yīng)該是電壓表為3.8V(即滿足小燈泡額定電壓下工作)時的功率P額＝1.52 W。

7.發(fā)現(xiàn)問題，解決問題

在交流中聰明的小明得出了亮度與功率的關(guān)系:實際功率越大，小燈泡的亮度就越亮。即實際功率決定亮度。但是為什么小明從表中數(shù)據(jù)看出燈泡燈絲的電阻隨電壓升高而增大呢？豈不是跟學(xué)過的電阻與電壓、電流無關(guān)矛盾了嗎？你能幫助小明解決這一問題嗎？

解析：從實驗得出，小燈泡電壓升高，亮度越亮，說明小燈泡燈絲溫度越高。燈絲的電阻除了跟材料、橫截面積、長短有關(guān)外，還與溫度有關(guān)。一般情況下，金屬電阻隨溫度的升高而增大（一般情況下也有一些特殊材料隨溫度升高電阻反而減小）。所以小燈泡的電阻隨電壓升高而增大就可以理解了。

8.實驗聯(lián)想

（１）做完實驗后，小明測小燈泡的功率實驗與學(xué)過的伏安法測某一固定電阻阻值的實驗進行比較，發(fā)現(xiàn)這兩個實驗有許多相同的地方，亦有不同之處，你能給他指出嗎？

解析：相同之處：①除了被測器件外，所用到的器材相同：電源、開關(guān)、導(dǎo)線、電壓表、電流表、滑動變阻器。②電路連接相同 。③所測的物理量相同，都要測被測器件兩端的電壓U和通過的電流I。④實驗方法相同：伏安法。不同之處：①實驗?zāi)康牟煌＂趯嶒炘聿煌y電阻原理R=■;測電功率原理P=UI。③數(shù)據(jù)處理不同。

（２）小明做完實驗后，對初中物理的電學(xué)實驗做了一次總結(jié)，發(fā)現(xiàn)滑動變阻器在實驗中有一些共同的作用外，還有不同的作用，你能幫助小明完成以下表格嗎？

解析：表格完成如下：

9.實驗交流

（１）另外一組在做實驗時發(fā)現(xiàn)電壓表0~15V量程已損壞（另一組量程完好），小明利用現(xiàn)有器材幫助這組同學(xué)同樣完成了小燈泡的電功率測定。你能知道小明的方法嗎？請設(shè)計電路加以說明。

解析：如圖4，由于電壓表的大量程損壞，而小燈泡的額定電壓為3.8V，超過了電壓表的小量程。根據(jù)串聯(lián)電路的分壓特點，在電源電壓為6V的情況下，可以將電壓表與滑動變阻器并聯(lián)，測出滑動變阻器兩端的電壓就可以算出小燈兩端的電壓，從而測出小燈泡的額定功率。（不考慮導(dǎo)線的電阻和分壓）

（２）在最后進行交流總結(jié)中，小明發(fā)現(xiàn)這個電路設(shè)計，在A、B之間接入小燈泡除了能探究小燈泡的電功率外，還可以在A、B之間接入其它器件，進行探究其它物理規(guī)律的實驗。

解析：①在A、B之間接入小燈泡，可以探究小燈泡的燈絲的電阻與亮度（或溫度）的關(guān)系。②在A、B之間接入一定值電阻，可以探究導(dǎo)體中的電流與電壓的關(guān)系。③再在A、B之間接入不同阻值的定值電阻，可以探究通過導(dǎo)體的電流與電阻的關(guān)系。

（作者單位：重慶市永川區(qū)何埂初級中學(xué)校）