“電容器的電容”實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)改進(jìn)*

孫梅芳

(蚌埠市第十二中學(xué) 安徽 蚌埠 233010)

普通高中實(shí)驗(yàn)教科書(人教版)《物理·選修3-1》第一章第8節(jié)“電容器的電容”是“靜電場(chǎng)”一章中很重要的一節(jié)，學(xué)好這一節(jié)可以為后續(xù)學(xué)習(xí)“帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).電容器又是一種重要的電學(xué)元件，有著廣泛的應(yīng)用，但學(xué)生對(duì)電容器并不熟悉.借此，本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤為關(guān)鍵，下面談一談關(guān)于這節(jié)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)改進(jìn).

1 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)一 ——檢驗(yàn)電容器能夠儲(chǔ)存電能

顧名思義電容器是一種能夠儲(chǔ)存電能的儀器，為了增強(qiáng)學(xué)生對(duì)這一功能的感性認(rèn)識(shí)，有必要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證.常規(guī)實(shí)驗(yàn)常用電池組或者學(xué)生電源對(duì)電容器進(jìn)行充電,充電電路中連接一個(gè)小燈泡,通過小燈泡的亮滅感知充電過程中電路中電流的變化,充電完畢,燈泡熄滅,電流消失.放電過程,把電容器和小燈泡串聯(lián),通過觀察小燈泡的“閃亮”,感知電容器儲(chǔ)存了電能.但放電過程十分短暫,學(xué)生如果稍不留神就會(huì)錯(cuò)失觀察良機(jī).怎樣才能讓放電時(shí)間較長(zhǎng)久?一方面可以為學(xué)生提供較長(zhǎng)的觀察時(shí)間，另一方面可以充分驗(yàn)證電容器確實(shí)能夠儲(chǔ)存電能.

為此筆者利用實(shí)驗(yàn)室的廢舊材料自制了一件“電容儲(chǔ)能演示器”.此實(shí)驗(yàn)取材容易，操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象十分明顯.

(1)材料準(zhǔn)備

電阻1～3 K/1 W(2只)，電容器 1 000～3 300 μF/25 V，高亮度紅色發(fā)光二極管LED(2只)，直流電源6 V，單刀雙擲開關(guān)，電路板，導(dǎo)線等.

(2)電路設(shè)計(jì)

電路圖，如圖1(a)所示；示教電路板,如圖1(b)所示.

圖1

(3)實(shí)驗(yàn)方法

按下開關(guān)S至a時(shí)，6 V電源E將LED1點(diǎn)亮，電源E同時(shí)迅速對(duì)電容器C充電至6 V，斷開開關(guān)S后，LED1并不熄滅，因?yàn)殡娙萜鰿上儲(chǔ)存了電能仍然可維持LED1繼續(xù)點(diǎn)亮約幾十秒鐘，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，這樣充分證明了電容器中確實(shí)儲(chǔ)存了電能.按下開關(guān)S至b時(shí)，6 V電源E將LED2點(diǎn)亮，但此時(shí)沒有對(duì)電容器充電，斷開開關(guān)S后，LED2很快熄滅，這和上述實(shí)驗(yàn)形成鮮明對(duì)比.

2 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)二 ——觀察電容器充電 放電電流和電壓變化

電容器的工作過程就是不斷充電和放電，為了增強(qiáng)學(xué)生對(duì)這一過程的感性認(rèn)識(shí)，常規(guī)實(shí)驗(yàn)常采用如下電路[如圖2(a)所示].S接a時(shí)電源E對(duì)電容器充電，電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)；S接b時(shí)電容器放電，電流計(jì)指針反偏.但充電和放電時(shí)電流計(jì)指針擺動(dòng)完成時(shí)間極短，很難把握充、放電電流的變化情況，且要同時(shí)觀察電壓表的變化更是困難.怎樣才能讓學(xué)生對(duì)電容器充放電過程有深刻認(rèn)識(shí)呢？為此我們采用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)繪出電容器充放電過程電流i和電壓u曲線圖，較好解決了這一難題.

(1)材料準(zhǔn)備

電容器1 000 μF/35V，電阻2 kΩ，直流電源8 V，單刀雙擲開關(guān)，計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集器，電壓傳感器，電流傳感器，電路板，導(dǎo)線等.

(2)電路設(shè)計(jì)

電路圖，如圖2(b)所示.

圖2

(3)實(shí)驗(yàn)方法

按圖2(b)連接實(shí)驗(yàn)電路，將電壓傳感器、電流傳感器分別接入數(shù)據(jù)采集器，并將數(shù)據(jù)采集器接入電腦.進(jìn)入DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，打開專用軟件，對(duì)電壓傳感器和電流傳感器校零；新建實(shí)驗(yàn)，設(shè)置圖3中左圖為i-t圖像，右圖為u-t圖像；選擇“采集時(shí)間”為1 min，“采集間隔”為100 ms；將開關(guān)S接a對(duì)電容器充電，然后把開關(guān)S接b電容器放電，得到電容器充電和放電過程電流和電壓隨時(shí)間變化關(guān)系圖線(如圖3).左圖：電流圖像，充電時(shí)和放電時(shí)各產(chǎn)生脈沖電流，方向相反；右圖：電壓圖像，充電時(shí)電壓升高，放電時(shí)電壓降低.

圖3

3 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)三 ——觀察電容器通過不同電阻的放電情況 理解電容概念

電容器是一個(gè)形象化的實(shí)物，而其電容是一個(gè)十分抽象的概念.由于電容器放電時(shí)間極短，常規(guī)實(shí)驗(yàn)很難做出電容器通過電阻放電的i-t圖像，更不可能進(jìn)一步分析圖像的意義，造成學(xué)生對(duì)電容概念的理解十分模糊.為此，我們采用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)繪出電容器通過不同電阻的放電i-t曲線圖，較好解決了這一難題.

(1)材料準(zhǔn)備

電容器 1 000～3 300 μF/25V，電阻(3 kΩ，1 kΩ，0.5 kΩ)，電流傳感器，學(xué)生電源(直流0～20V可調(diào))，單刀雙擲開關(guān)，計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集器，電路板，導(dǎo)線等.

(2)電路設(shè)計(jì)

電路圖，如圖4所示.

圖4

(3)實(shí)驗(yàn)方法

圖5

綜上所述，如能做好以上3個(gè)實(shí)驗(yàn)，定能突破本節(jié)課學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，會(huì)使學(xué)生對(duì)電容器的認(rèn)識(shí)更加具體、更加豐富，從而為后續(xù)學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).