多功能電容器演示儀的設(shè)計(jì)及運(yùn)用

江立坤　劉世耀

摘 要：詳細(xì)介紹了多功能電容器演示儀的制作背景、儀器的設(shè)計(jì)原理、功能以及具體的使用方法。并把該儀器運(yùn)用于教學(xué)中，得到了廣大師生的喜愛，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：多功能；電容器；演示儀；設(shè)計(jì)原理

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2014）10（S）-0064-2

1 多功能電容器性質(zhì)演示儀的制作背景

高中物理教材中關(guān)于電容概念的構(gòu)建是從“實(shí)驗(yàn)表明，一個(gè)電容器所帶的電量與電容器兩極板間電勢(shì)差成正比”開始的。雖然這樣也可以為電容的定義奠定理論基礎(chǔ)。但是，沒有形象直觀的演示實(shí)驗(yàn)，沒有直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，不利于電容概念的形成。筆者查閱了其它資料，也沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)儀器。為了彌補(bǔ)不足，筆者經(jīng)過認(rèn)真分析和反復(fù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了一套多功能電容器演示儀（實(shí)物如圖1所示）。

圖1 電容器演示儀

2 儀器的設(shè)計(jì)原理以及功能介紹

多功能電容器性質(zhì)演示儀有兩個(gè)功能模塊，分別為電容器模塊和計(jì)時(shí)器模塊。

電容器模塊的設(shè)計(jì)原理：相同電容器并聯(lián)時(shí)，電容器所帶的電荷量相等。因此，可通過用相同電容器并聯(lián)平分電量的方法把難以測(cè)定的電量依次等分。具體為四個(gè)相同電容器C1，C2，C3，C4并聯(lián)，并用開關(guān)K1，K2，K3，K4控制。使用學(xué)生電源對(duì)電容器C1充電，充滿后斷開電源，電容器所帶電量Q保持不變。通過電壓傳感器與計(jì)算機(jī)相連，記錄電容器C1兩端電壓U的大小。依次閉合開關(guān)K2，K3，K4，則每個(gè)電容器中的電量依次為Q/2，Q/3，Q/4。再從計(jì)算機(jī)中觀察到電容器兩端電壓U，得出電容器多組Q/U值，通過比較Q/U值，可以直觀反映出電容器儲(chǔ)存電荷的性質(zhì)，為電容定義奠定基礎(chǔ)。

計(jì)時(shí)器模塊設(shè)計(jì)原理：通過電路控制，用5V電壓對(duì)電容器進(jìn)行恒流充電，利用芯片控制的數(shù)字電路測(cè)量電容器在同一電壓充電過程所用的時(shí)間并用數(shù)碼顯示管顯示出來。充電結(jié)束，計(jì)時(shí)器自動(dòng)停止計(jì)時(shí)，此時(shí)，電容器所帶電量Q與充電時(shí)間成正比。再換用不同電容器，可記錄不同電容器充電時(shí)間。

比較不同電容器電荷量（充電時(shí)間）與電壓的比值，加深學(xué)生對(duì)電容概念的理解。

3 用途以及使用方法

3.1 多功能電容器性質(zhì)演示儀的用途

①在教學(xué)中演示電容器所帶電量和兩端電壓的關(guān)系；②電容器在充、放電過程中的U-t、I-t圖像；③演示不同容量電容器在同一電壓充電過程中所用的時(shí)間。

3.2 多功能電容器性質(zhì)演示儀的使用方法

3.2.1 電容器模塊

（1）把電壓傳感器接在并聯(lián)電路的兩端，通過數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)相連，啟動(dòng)配套軟件，選擇“通用軟件”功能。

（2）用教學(xué)電源的直流低壓檔（2～16V）接入電源輸入端，將選擇開關(guān)拔到“充電”，閉合開關(guān)K1，一段時(shí)間后斷開電源，再依次閉合K2，K3，K4。此時(shí)，可在電腦顯示器上看到電容器兩端電壓隨時(shí)間變化。測(cè)試中使用不同電壓充放電，以及使用不同電容器充放電，測(cè)試結(jié)果精確，現(xiàn)象明顯易懂。圖2為用四個(gè)2200μF的電容器經(jīng)16V電壓充電后的放電測(cè)試圖像。

圖2 放電測(cè)試圖

（3）實(shí)驗(yàn)完成后，將選擇開關(guān)拔到“放電”，電容器自行放電。此模塊也可以用于觀察單個(gè)電容器的充電、放電時(shí)的電流—時(shí)間和電壓—時(shí)間圖像。

3.2.2 計(jì)時(shí)器模塊

（1）輕觸計(jì)時(shí)器電源開關(guān)（已經(jīng)內(nèi)置電源），把待測(cè)電容接到電容器插口（正極在上，負(fù)極在下），按下開始按鈕，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，充滿后自動(dòng)停止計(jì)時(shí)，數(shù)碼管上顯示此電容充電時(shí)間。

（2）按“復(fù)位”后可進(jìn)行上述相同操作，測(cè)其它電容器充電時(shí)間。

4 創(chuàng)新點(diǎn)及改進(jìn)點(diǎn)

4.1 多功能電容器性質(zhì)演示儀創(chuàng)新點(diǎn)

采用相同電容器并聯(lián)平分電量的原理，配合電壓傳感器測(cè)出電容兩端電壓，巧妙地解決了教學(xué)中電容器電量和電壓關(guān)系難題。儀器借用帶電壓傳感器的計(jì)算機(jī)，直觀形象地展示了并聯(lián)過程電容器兩端的電壓變化。對(duì)不同規(guī)格電容器，采用芯片控制的數(shù)字電路記錄電容器放電時(shí)間，在用同一電壓充電的前提下，得出電容器的電量電容比值關(guān)系。儀器簡(jiǎn)單易用、科學(xué)明了、設(shè)計(jì)合理，填補(bǔ)了該內(nèi)容演示儀器的空白。

4.2 多功能電容器性質(zhì)演示儀改進(jìn)點(diǎn)

①本儀器兩種功能都能定量反映電容器電壓U、電量Q、電容C之間的關(guān)系。在設(shè)計(jì)數(shù)字電路時(shí)，為了使電容器充電時(shí)電流基本穩(wěn)定，使Q、t呈現(xiàn)較明顯的線性關(guān)系，使用了過于復(fù)雜的電路，如圖3、4 所示，有待改進(jìn)。

圖3 電路圖

圖4 實(shí)物圖

②在用數(shù)字計(jì)時(shí)器測(cè)定電容充電時(shí)間與電容關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，使用數(shù)字芯片控制，低電平觸發(fā)計(jì)時(shí)，高電平時(shí)停下計(jì)時(shí)。由于低電平不可能做到為零，所以實(shí)驗(yàn)存在一定的系統(tǒng)誤差。

本儀器研發(fā)后，在2011年10月本市舉辦的教具制作比賽中取得優(yōu)異成績(jī)，受到評(píng)委和參會(huì)教師的好評(píng)。運(yùn)用到《電容器》一節(jié)的教學(xué)中后，能讓學(xué)生清楚地觀察到電容器兩端電壓和電量之間的關(guān)系，對(duì)電容概念的定義有比較清楚的認(rèn)識(shí)，對(duì)概念的理解會(huì)更加深刻，這大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳勇.對(duì)“探究影響平行板電容器的因素”演示實(shí)驗(yàn)的探討[J].物理教學(xué)探討，2010，（2）：74.

[2]劉玉明等.平行板電容器充放電演示裝置[J].物理教學(xué)探討，2011，（4）：61.

（欄目編輯 鄧 磊）

摘 要：詳細(xì)介紹了多功能電容器演示儀的制作背景、儀器的設(shè)計(jì)原理、功能以及具體的使用方法。并把該儀器運(yùn)用于教學(xué)中，得到了廣大師生的喜愛，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：多功能；電容器；演示儀；設(shè)計(jì)原理

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2014）10（S）-0064-2

1 多功能電容器性質(zhì)演示儀的制作背景

高中物理教材中關(guān)于電容概念的構(gòu)建是從“實(shí)驗(yàn)表明，一個(gè)電容器所帶的電量與電容器兩極板間電勢(shì)差成正比”開始的。雖然這樣也可以為電容的定義奠定理論基礎(chǔ)。但是，沒有形象直觀的演示實(shí)驗(yàn)，沒有直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，不利于電容概念的形成。筆者查閱了其它資料，也沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)儀器。為了彌補(bǔ)不足，筆者經(jīng)過認(rèn)真分析和反復(fù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了一套多功能電容器演示儀（實(shí)物如圖1所示）。

圖1 電容器演示儀

2 儀器的設(shè)計(jì)原理以及功能介紹

多功能電容器性質(zhì)演示儀有兩個(gè)功能模塊，分別為電容器模塊和計(jì)時(shí)器模塊。

電容器模塊的設(shè)計(jì)原理：相同電容器并聯(lián)時(shí)，電容器所帶的電荷量相等。因此，可通過用相同電容器并聯(lián)平分電量的方法把難以測(cè)定的電量依次等分。具體為四個(gè)相同電容器C1，C2，C3，C4并聯(lián)，并用開關(guān)K1，K2，K3，K4控制。使用學(xué)生電源對(duì)電容器C1充電，充滿后斷開電源，電容器所帶電量Q保持不變。通過電壓傳感器與計(jì)算機(jī)相連，記錄電容器C1兩端電壓U的大小。依次閉合開關(guān)K2，K3，K4，則每個(gè)電容器中的電量依次為Q/2，Q/3，Q/4。再從計(jì)算機(jī)中觀察到電容器兩端電壓U，得出電容器多組Q/U值，通過比較Q/U值，可以直觀反映出電容器儲(chǔ)存電荷的性質(zhì)，為電容定義奠定基礎(chǔ)。

計(jì)時(shí)器模塊設(shè)計(jì)原理：通過電路控制，用5V電壓對(duì)電容器進(jìn)行恒流充電，利用芯片控制的數(shù)字電路測(cè)量電容器在同一電壓充電過程所用的時(shí)間并用數(shù)碼顯示管顯示出來。充電結(jié)束，計(jì)時(shí)器自動(dòng)停止計(jì)時(shí)，此時(shí)，電容器所帶電量Q與充電時(shí)間成正比。再換用不同電容器，可記錄不同電容器充電時(shí)間。

比較不同電容器電荷量（充電時(shí)間）與電壓的比值，加深學(xué)生對(duì)電容概念的理解。

3 用途以及使用方法

3.1 多功能電容器性質(zhì)演示儀的用途

①在教學(xué)中演示電容器所帶電量和兩端電壓的關(guān)系；②電容器在充、放電過程中的U-t、I-t圖像；③演示不同容量電容器在同一電壓充電過程中所用的時(shí)間。

3.2 多功能電容器性質(zhì)演示儀的使用方法

3.2.1 電容器模塊

（1）把電壓傳感器接在并聯(lián)電路的兩端，通過數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)相連，啟動(dòng)配套軟件，選擇“通用軟件”功能。

（2）用教學(xué)電源的直流低壓檔（2～16V）接入電源輸入端，將選擇開關(guān)拔到“充電”，閉合開關(guān)K1，一段時(shí)間后斷開電源，再依次閉合K2，K3，K4。此時(shí)，可在電腦顯示器上看到電容器兩端電壓隨時(shí)間變化。測(cè)試中使用不同電壓充放電，以及使用不同電容器充放電，測(cè)試結(jié)果精確，現(xiàn)象明顯易懂。圖2為用四個(gè)2200μF的電容器經(jīng)16V電壓充電后的放電測(cè)試圖像。

圖2 放電測(cè)試圖

（3）實(shí)驗(yàn)完成后，將選擇開關(guān)拔到“放電”，電容器自行放電。此模塊也可以用于觀察單個(gè)電容器的充電、放電時(shí)的電流—時(shí)間和電壓—時(shí)間圖像。

3.2.2 計(jì)時(shí)器模塊

（1）輕觸計(jì)時(shí)器電源開關(guān)（已經(jīng)內(nèi)置電源），把待測(cè)電容接到電容器插口（正極在上，負(fù)極在下），按下開始按鈕，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，充滿后自動(dòng)停止計(jì)時(shí)，數(shù)碼管上顯示此電容充電時(shí)間。

（2）按“復(fù)位”后可進(jìn)行上述相同操作，測(cè)其它電容器充電時(shí)間。

4 創(chuàng)新點(diǎn)及改進(jìn)點(diǎn)

4.1 多功能電容器性質(zhì)演示儀創(chuàng)新點(diǎn)

采用相同電容器并聯(lián)平分電量的原理，配合電壓傳感器測(cè)出電容兩端電壓，巧妙地解決了教學(xué)中電容器電量和電壓關(guān)系難題。儀器借用帶電壓傳感器的計(jì)算機(jī)，直觀形象地展示了并聯(lián)過程電容器兩端的電壓變化。對(duì)不同規(guī)格電容器，采用芯片控制的數(shù)字電路記錄電容器放電時(shí)間，在用同一電壓充電的前提下，得出電容器的電量電容比值關(guān)系。儀器簡(jiǎn)單易用、科學(xué)明了、設(shè)計(jì)合理，填補(bǔ)了該內(nèi)容演示儀器的空白。

4.2 多功能電容器性質(zhì)演示儀改進(jìn)點(diǎn)

①本儀器兩種功能都能定量反映電容器電壓U、電量Q、電容C之間的關(guān)系。在設(shè)計(jì)數(shù)字電路時(shí)，為了使電容器充電時(shí)電流基本穩(wěn)定，使Q、t呈現(xiàn)較明顯的線性關(guān)系，使用了過于復(fù)雜的電路，如圖3、4 所示，有待改進(jìn)。

圖3 電路圖

圖4 實(shí)物圖

②在用數(shù)字計(jì)時(shí)器測(cè)定電容充電時(shí)間與電容關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，使用數(shù)字芯片控制，低電平觸發(fā)計(jì)時(shí)，高電平時(shí)停下計(jì)時(shí)。由于低電平不可能做到為零，所以實(shí)驗(yàn)存在一定的系統(tǒng)誤差。

本儀器研發(fā)后，在2011年10月本市舉辦的教具制作比賽中取得優(yōu)異成績(jī)，受到評(píng)委和參會(huì)教師的好評(píng)。運(yùn)用到《電容器》一節(jié)的教學(xué)中后，能讓學(xué)生清楚地觀察到電容器兩端電壓和電量之間的關(guān)系，對(duì)電容概念的定義有比較清楚的認(rèn)識(shí)，對(duì)概念的理解會(huì)更加深刻，這大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳勇.對(duì)“探究影響平行板電容器的因素”演示實(shí)驗(yàn)的探討[J].物理教學(xué)探討，2010，（2）：74.

[2]劉玉明等.平行板電容器充放電演示裝置[J].物理教學(xué)探討，2011，（4）：61.

（欄目編輯 鄧 磊）

摘 要：詳細(xì)介紹了多功能電容器演示儀的制作背景、儀器的設(shè)計(jì)原理、功能以及具體的使用方法。并把該儀器運(yùn)用于教學(xué)中，得到了廣大師生的喜愛，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：多功能；電容器；演示儀；設(shè)計(jì)原理

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2014）10（S）-0064-2

1 多功能電容器性質(zhì)演示儀的制作背景

高中物理教材中關(guān)于電容概念的構(gòu)建是從“實(shí)驗(yàn)表明，一個(gè)電容器所帶的電量與電容器兩極板間電勢(shì)差成正比”開始的。雖然這樣也可以為電容的定義奠定理論基礎(chǔ)。但是，沒有形象直觀的演示實(shí)驗(yàn)，沒有直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，不利于電容概念的形成。筆者查閱了其它資料，也沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)儀器。為了彌補(bǔ)不足，筆者經(jīng)過認(rèn)真分析和反復(fù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了一套多功能電容器演示儀（實(shí)物如圖1所示）。

圖1 電容器演示儀

2 儀器的設(shè)計(jì)原理以及功能介紹

多功能電容器性質(zhì)演示儀有兩個(gè)功能模塊，分別為電容器模塊和計(jì)時(shí)器模塊。

電容器模塊的設(shè)計(jì)原理：相同電容器并聯(lián)時(shí)，電容器所帶的電荷量相等。因此，可通過用相同電容器并聯(lián)平分電量的方法把難以測(cè)定的電量依次等分。具體為四個(gè)相同電容器C1，C2，C3，C4并聯(lián)，并用開關(guān)K1，K2，K3，K4控制。使用學(xué)生電源對(duì)電容器C1充電，充滿后斷開電源，電容器所帶電量Q保持不變。通過電壓傳感器與計(jì)算機(jī)相連，記錄電容器C1兩端電壓U的大小。依次閉合開關(guān)K2，K3，K4，則每個(gè)電容器中的電量依次為Q/2，Q/3，Q/4。再從計(jì)算機(jī)中觀察到電容器兩端電壓U，得出電容器多組Q/U值，通過比較Q/U值，可以直觀反映出電容器儲(chǔ)存電荷的性質(zhì)，為電容定義奠定基礎(chǔ)。

計(jì)時(shí)器模塊設(shè)計(jì)原理：通過電路控制，用5V電壓對(duì)電容器進(jìn)行恒流充電，利用芯片控制的數(shù)字電路測(cè)量電容器在同一電壓充電過程所用的時(shí)間并用數(shù)碼顯示管顯示出來。充電結(jié)束，計(jì)時(shí)器自動(dòng)停止計(jì)時(shí)，此時(shí)，電容器所帶電量Q與充電時(shí)間成正比。再換用不同電容器，可記錄不同電容器充電時(shí)間。

比較不同電容器電荷量（充電時(shí)間）與電壓的比值，加深學(xué)生對(duì)電容概念的理解。

3 用途以及使用方法

3.1 多功能電容器性質(zhì)演示儀的用途

①在教學(xué)中演示電容器所帶電量和兩端電壓的關(guān)系；②電容器在充、放電過程中的U-t、I-t圖像；③演示不同容量電容器在同一電壓充電過程中所用的時(shí)間。

3.2 多功能電容器性質(zhì)演示儀的使用方法

3.2.1 電容器模塊

（1）把電壓傳感器接在并聯(lián)電路的兩端，通過數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)相連，啟動(dòng)配套軟件，選擇“通用軟件”功能。

（2）用教學(xué)電源的直流低壓檔（2～16V）接入電源輸入端，將選擇開關(guān)拔到“充電”，閉合開關(guān)K1，一段時(shí)間后斷開電源，再依次閉合K2，K3，K4。此時(shí)，可在電腦顯示器上看到電容器兩端電壓隨時(shí)間變化。測(cè)試中使用不同電壓充放電，以及使用不同電容器充放電，測(cè)試結(jié)果精確，現(xiàn)象明顯易懂。圖2為用四個(gè)2200μF的電容器經(jīng)16V電壓充電后的放電測(cè)試圖像。

圖2 放電測(cè)試圖

（3）實(shí)驗(yàn)完成后，將選擇開關(guān)拔到“放電”，電容器自行放電。此模塊也可以用于觀察單個(gè)電容器的充電、放電時(shí)的電流—時(shí)間和電壓—時(shí)間圖像。

3.2.2 計(jì)時(shí)器模塊

（1）輕觸計(jì)時(shí)器電源開關(guān)（已經(jīng)內(nèi)置電源），把待測(cè)電容接到電容器插口（正極在上，負(fù)極在下），按下開始按鈕，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，充滿后自動(dòng)停止計(jì)時(shí)，數(shù)碼管上顯示此電容充電時(shí)間。

（2）按“復(fù)位”后可進(jìn)行上述相同操作，測(cè)其它電容器充電時(shí)間。

4 創(chuàng)新點(diǎn)及改進(jìn)點(diǎn)

4.1 多功能電容器性質(zhì)演示儀創(chuàng)新點(diǎn)

采用相同電容器并聯(lián)平分電量的原理，配合電壓傳感器測(cè)出電容兩端電壓，巧妙地解決了教學(xué)中電容器電量和電壓關(guān)系難題。儀器借用帶電壓傳感器的計(jì)算機(jī)，直觀形象地展示了并聯(lián)過程電容器兩端的電壓變化。對(duì)不同規(guī)格電容器，采用芯片控制的數(shù)字電路記錄電容器放電時(shí)間，在用同一電壓充電的前提下，得出電容器的電量電容比值關(guān)系。儀器簡(jiǎn)單易用、科學(xué)明了、設(shè)計(jì)合理，填補(bǔ)了該內(nèi)容演示儀器的空白。

4.2 多功能電容器性質(zhì)演示儀改進(jìn)點(diǎn)

①本儀器兩種功能都能定量反映電容器電壓U、電量Q、電容C之間的關(guān)系。在設(shè)計(jì)數(shù)字電路時(shí)，為了使電容器充電時(shí)電流基本穩(wěn)定，使Q、t呈現(xiàn)較明顯的線性關(guān)系，使用了過于復(fù)雜的電路，如圖3、4 所示，有待改進(jìn)。

圖3 電路圖

圖4 實(shí)物圖

②在用數(shù)字計(jì)時(shí)器測(cè)定電容充電時(shí)間與電容關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，使用數(shù)字芯片控制，低電平觸發(fā)計(jì)時(shí)，高電平時(shí)停下計(jì)時(shí)。由于低電平不可能做到為零，所以實(shí)驗(yàn)存在一定的系統(tǒng)誤差。

本儀器研發(fā)后，在2011年10月本市舉辦的教具制作比賽中取得優(yōu)異成績(jī)，受到評(píng)委和參會(huì)教師的好評(píng)。運(yùn)用到《電容器》一節(jié)的教學(xué)中后，能讓學(xué)生清楚地觀察到電容器兩端電壓和電量之間的關(guān)系，對(duì)電容概念的定義有比較清楚的認(rèn)識(shí)，對(duì)概念的理解會(huì)更加深刻，這大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳勇.對(duì)“探究影響平行板電容器的因素”演示實(shí)驗(yàn)的探討[J].物理教學(xué)探討，2010，（2）：74.

[2]劉玉明等.平行板電容器充放電演示裝置[J].物理教學(xué)探討，2011，（4）：61.

（欄目編輯 鄧 磊）