延伸习题内涵，拓展科学思维

黄超华 陈来南

【摘要】本文以2021年广东省一模第12题为例探析二极管的动态电阻，总结此类题目解题方法，拓展学生科学思维，提升学生科学探究能力。

【关键词】高中物理;高考模拟题;二极管;动态电阻;习题内涵

一、问题的提出

二极管在电学实验中是一种常见的电学元件，是高考中对电路伏安特性曲线、多用电表使用等电学规律进行综合考察的重要电子元件。二极管内容在《普通高中物理课程标准（2017年版）》中要求学生掌握其单项导电性，对二极管动态电阻没做要求，但是新高考注重情境化命题考查学生的科学探究能力和科学思维能力，二极管动态电阻也可能成为新高考的命题方向。例如，2021年3月广东省一模考试第12题出现了二极管动态电阻的内容。笔者就此题情境结合二极管动态电阻知识分析此类题目解法，以期各位同仁斧正。

二、习题原题及解答

（2021年广东省第一次模拟考试第12题）某探究小组研究常用的二极管伏安特性曲线，他们使用仪器如下：多用电表、稳定电源（电压能调节）、滑动变阻器（最大电阻为10Ω）、灵敏电流计G、电压表、两个规格一样的常规二极管（电路图的符号为“”）、开关S1，S2和若干条导线，连成如图甲的电路图。

实验探究如下，请按要求完成相应的实验内容：

（1）标识二极管的极性：开关 S1和 S2先断开，将多用电表开关调节到“×1 Ω”档位，将红、黑表笔先后接a、a'时观察到多用指针偏转比较小;将红、黑表笔分别接b、b'时偏角却非常大。请在图甲中的两个虚框内画出二极管的方向电路图示意图。

（2）参考（1）的研究内容，开始研究二极管的正向特性：调节稳定电源对外输出电压到某一适当值，开关 S1闭合，开关S2应该接在____（选填“1”或“2”）端，由A 向 B逐渐移动滑动变阻器上面的滑片P，使常规二极管两端的电压由0逐渐递增;某次观察到电压表指针如图乙所示，则此时的电压值可得___V;记录多组电压表和对应电流表的读数。根据收集的数据描绘出该二极管的正向伏安特性曲线如图丙所示。

（3）根据图丙描绘的伏安特性曲线，当常规二极管两边加的正向电压>0.5V后，它的正向电阻如何随电压变化？____。常规二极管的正向电阻最后的值会趋于__Ω。

解释：

（1）多用电表欧姆档黑表笔接内置电源正极，红、黑表笔分别接a、a'时发现多用指针偏角很小说明电阻较大，是反向电阻。反之亦然，电路如图示。

（2）题目要求研究二極管正向特性，开关S2 接在“1”端，此时的电压值为0.80V。

（3）其正向电阻随电压的增大而减小， 当电压大于某值时， 电阻趋于稳定值;二极管的正向电阻最终会趋于4.0Ω

这道实验题第三问涉及到二极管的动态电阻的知识，对学生影响很大。如果教师授课时没有跟学生渗透二极管动态电阻的知识，学生就会找各点到原点连线的倒数作为二极管电阻，怎么也找不到一个定值，一连两个空都会丢分。

三、习题内涵延伸

二极管是用半导体材料经过特殊工艺加工的一种电子元件，在电路中呈现单向导电性能，二极管的主要原理是利用PN结的单向导电性，在PN结上加上引线和封装就成了一个二极管。当二极管没有在外加电压时，由于PN结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当二极管中通有正向电流，二极管两端就有一定的电压，如果二极管两端电流I0稳定，两端的电压U0也是稳定值，此时二极管的静态阻值是一个定值：，如果二极管中的电流发生变化时，二极管两端的电压也随着发生变化，当二极管中的电路产生一个微小的电流变化量di时，二极管两端的电压也相应有一个微小的电压变化量du，动态电阻就是这电压变化量du与电流变化量di比值：。二极管正向的动态电阻在小电流时比较大，随着电流的增大动态电阻随着减小。

回到原题，二极管并接在分压电路上，电路开始时滑动变阻器的滑片在最左端A处，二极管两端电压为零，二极管短路，滑动变阻器滑片P由A移向B过程中，通过二极管的电流由零开始增大，二极管两端电压增加，二极管产生动态电阻：。题目（3）问：“二极管的正向电阻最终会趋于___Ω”，关键词“趋向”也在提示此题求二极管动态电阻，取二极管伏安特性曲线的直线段的倒数计算得R=4.0Ω。

题目（3）另一个解法：“二极管的正向电阻最终会趋于___Ω”，关键词“趋向”可取二极管电压无穷大，再画一条过原点的渐近线，渐近线的斜率近似等于二极管伏安特性曲线的直线段斜率，取二极管伏安特性曲线的直线段的倒数计算得出R=4.0Ω。

四、反思与建议

新高考改革背景下，高考试题设计以物理学科核心素养为导向，更加注重理论联系实际，结合生产生活、现代社会及科技发展设计试题情境，凸显物理学科在解决实际问题特别是重大科技问题中的应用价值，考查学生科学思维和科学探究能力。二极管内容虽然在《普通高中物理课程标准（2017年版）》中只要求掌握单向导电性，但是按照现在高考情境化命题方向，二极管很可能成为将来一个命题方向，教师在平常教学中一定要渗透二极管动态电阻的知识，不要让简单的二极管题目成为学生过不去的坎。

[本文系河源市教育教学研究院立项课题“基于物理核心素养的高中物理有效教学策略研究”（项目编号：hy21061）研究成果]

参考文献：

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理必修第三册（2019年版）[M].人民教育出版社，2019.

[2]教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].人民教育出版社，2020.

[3]清华大学电子学教研组编.面向21世纪课程教材模拟电子技术基础（第五版）[M].高等教育出版社，2015.

[4]黄超华.厘清物理概念 拓展科学思维——2021年高考物理全国甲卷第34题赏析[J].中学物理教学参考（中旬·学研），2021（10）：58-59.

责任编辑  钟春雪