電容器充放電演示儀

童俊波

摘 要： 電容器充、放電過(guò)程是理解電容器工作的主要形式。而電容器充、放電過(guò)程在極短時(shí)間內(nèi)就會(huì)完成，現(xiàn)象稍縱即逝，學(xué)生往往感到抽象難懂。通過(guò)增加電位器和發(fā)光二極管、石英鐘等元件，延長(zhǎng)電容器的充放電時(shí)間，從而增加可見(jiàn)度。

關(guān)鍵詞： 電容器 充電 放電 電位器 發(fā)光二極管

一、地位和作用

人教版普通高中物理選修3-1《電容器的電容》中電容器充、放電實(shí)驗(yàn)是一個(gè)很重要的演示實(shí)驗(yàn)。電容器充電、放電的過(guò)程是電容器工作的主要形式，學(xué)生不容易理解，所以課堂中很有必要對(duì)電容器的充電、放電過(guò)程進(jìn)行放慢和放大，從而使學(xué)生加深對(duì)電容器工作原理的認(rèn)識(shí)和理解。為此，特制作了本套電容器充、放電演示儀。

二、實(shí)驗(yàn)原型及不足之處

教材采用靈敏電流計(jì)顯示電容器充、放電現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)，如下圖，由于靈敏電流計(jì)量程較小，承受不了大電流，充放電剛開(kāi)始時(shí)極易燒壞線(xiàn)圈或打彎表針，且由于充放電流時(shí)間太短，現(xiàn)象稍縱即逝，可見(jiàn)度不大。

三、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新之處

方案一：改裝靈敏電流計(jì)，擴(kuò)大其量程。用兩個(gè)并聯(lián)的發(fā)光二極管與電流計(jì)及電位器串接，通過(guò)發(fā)光二極管的亮暗和電流計(jì)指針偏角顯示充放電流的大?。煌瑫r(shí)可利用發(fā)光二極管的單向?qū)ㄐ燥@示充、放電流的方向[1]。

方案二：由于石英鐘的耗電量小，且頻率及其穩(wěn)定，可利用電容器充放電時(shí)產(chǎn)生短暫電流驅(qū)動(dòng)石英鐘，能讓石英鐘走動(dòng)較長(zhǎng)一段時(shí)間，從而放慢、放大電容器充放電的現(xiàn)象，同時(shí)石英鐘有計(jì)時(shí)功能，可以用石英鐘走動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短說(shuō)明電容器容納電荷本領(lǐng)的大小[2]。

四、實(shí)驗(yàn)器材

“10000μF50V”電解電容器一只，發(fā)光二極管兩只（紅、綠），10kΩ電位器一只，330Ω電阻一只，100Ω電阻一只，J0402型示教電表一只，石英鐘兩只，1.5V1號(hào)干電池4只，單刀雙擲開(kāi)關(guān)2只，單刀開(kāi)關(guān)1只，鱷魚(yú)夾3個(gè)，導(dǎo)線(xiàn)若干，紅、綠膠布少許，90cm×70cm木板一塊。

五、實(shí)驗(yàn)原理及裝置說(shuō)明

5.1電路圖設(shè)計(jì)如下：

5.2給靈敏電流計(jì)并聯(lián)一個(gè)430Ω的電阻，擴(kuò)大其量程，同時(shí)串接10kv電位器和發(fā)光二極管，擴(kuò)大回路電阻，延長(zhǎng)電容器充放電時(shí)間；還可以利用二極管的單向?qū)ㄐ燥@示充放電流方向。

5.3根據(jù)石英鐘耗電量小的特點(diǎn)，充分放大充放電時(shí)間，增大了實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)度。

5.4按照5.1的電路圖，在演示板的正面相應(yīng)位置打孔，安裝好各個(gè)電路元件；在演示板背面用電烙鐵把導(dǎo)線(xiàn)與電路元件焊接牢并連接好電路，用紅、綠塑料膠布充當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)貼在板的正面，顯示電路的連接情況。

六、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

6.1鱷魚(yú)夾接a（電源電壓6V），調(diào)節(jié)電位器到適當(dāng)?shù)淖柚担褑蔚峨p擲開(kāi)關(guān)S接1，閉合開(kāi)關(guān)S，LED1發(fā)出最亮紅光（LED2始終不亮），電流計(jì)指針向右偏到最大位置，說(shuō)明電容器正在充電，電流為順時(shí)針?lè)较?；隨著時(shí)間的推移，LED1逐漸變暗，電流計(jì)指針偏角逐漸減?。蛔詈蟪潆婋娏鲙缀鯙榱?，LED1完全變暗[3]。

6.2把開(kāi)關(guān)S接2，此時(shí)LED2發(fā)出最亮綠光（LED1始終不亮），電流計(jì)指針向左偏到最大位置，電流為逆時(shí)針?lè)较?，說(shuō)明電容器正在進(jìn)行放電。隨著時(shí)間的延續(xù)，放電電流逐漸減少，LED2逐漸變暗，電流計(jì)指針偏角逐漸減?。蛔詈箅娏鞅碇笖?shù)幾乎為零，LED2完全熄滅，放電結(jié)束。說(shuō)明電容器具有儲(chǔ)存電荷的能力。

6.3斷開(kāi)S，把兩石英鐘的秒針用手撥到12點(diǎn)位置，鱷魚(yú)夾接b（電源電壓3V），把單刀雙擲開(kāi)關(guān)S接1，開(kāi)關(guān)S接3，左邊石英鐘開(kāi)始走動(dòng)計(jì)時(shí)，說(shuō)明電容器正在充電，由于石英鐘耗電量很少，充電過(guò)程大概經(jīng)過(guò)25s左右。

6.4把單刀雙擲開(kāi)關(guān)S接2，然后把開(kāi)關(guān)S接4，右邊石英鐘開(kāi)始走動(dòng)計(jì)時(shí)，說(shuō)明電容器在放電，放電時(shí)間20s左右。

七、實(shí)驗(yàn)效果

本實(shí)驗(yàn)使學(xué)生清楚地看到了電容器充、放電的過(guò)程，還能明確充、放電的方向，使學(xué)生印象深刻，對(duì)掌握電容器的充、放電過(guò)程起到了非常好的作用。

八、自我評(píng)價(jià)

本實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，過(guò)程安全，形象生動(dòng)，演示可見(jiàn)度大。本裝置可以在電容器兩端并聯(lián)10V電壓表，探究電容器充放電過(guò)程中電流與電壓的變化規(guī)律；還可以在同一電源下，使用不同容量的電容器實(shí)驗(yàn)，探究電容器同一電壓下儲(chǔ)存電荷的能力。希望各位專(zhuān)家和同行對(duì)本實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行批評(píng)指正。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖芝清.用系列實(shí)驗(yàn)揭示電容器里的秘密[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2006（04）.

[2]季永青.巧用石英鐘觀(guān)察電容器充放電現(xiàn)象[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2005（Z1）.

[3]張喜榮，岳寶良，尹建義，劉彥玲.教學(xué)探究——電容器放電快慢與什么因素有關(guān)[J].物理通報(bào)，2010（05）.