電容器充放電實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

摘 要：本文分析了廣東教育出版社物理選修3-1中電容器充放電演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的原理和一些不足，對(duì)原方案進(jìn)行了改進(jìn)，并針對(duì)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行分析、實(shí)踐，把改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)方案和原方案進(jìn)行對(duì)比，闡明方案的改進(jìn)對(duì)于教學(xué)可以產(chǎn)生的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：電容器充放電；改進(jìn)；課堂需求

物理作為一門自然科學(xué)，人類總是通過實(shí)驗(yàn)來探討或驗(yàn)證相關(guān)的自然規(guī)律，如物質(zhì)的組成、物體之間的相互作用等。理論源于實(shí)踐，因此，物理規(guī)律的學(xué)習(xí)和探討離不開親身的實(shí)驗(yàn)。在中學(xué)階段的物理教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的教學(xué)和探究尤其重要。首先，物理實(shí)驗(yàn)對(duì)物理理論教學(xué)起輔助的作用。心理學(xué)中提出，感覺記憶可以形成生動(dòng)的短時(shí)記憶，增加趣味性。實(shí)驗(yàn)過程相當(dāng)于感覺記憶的產(chǎn)生過程，學(xué)生通過觀察演示實(shí)驗(yàn)，動(dòng)手做分組實(shí)驗(yàn)等方式，加深對(duì)課堂理論知識(shí)的理解，加強(qiáng)了對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的記憶。其次，物理實(shí)驗(yàn)是實(shí)踐的過程，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神。短時(shí)記憶在不斷地重復(fù)當(dāng)中，可轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)久記憶。學(xué)生在動(dòng)手設(shè)計(jì)或操作實(shí)驗(yàn)的過程中，可以把課本所學(xué)運(yùn)用到實(shí)踐當(dāng)中，這是一個(gè)不斷思考和重復(fù)的過程，既是對(duì)所學(xué)知識(shí)的檢驗(yàn)，加深理論印象，又能夠培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神，符合二十一世紀(jì)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求。

作為物理實(shí)驗(yàn)員，在平時(shí)除了實(shí)驗(yàn)室管理和實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備以外，也要熟悉物理教科書中的理論知識(shí)以及了解理論教學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)的需求。課本中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在理論上是行得通的。但在實(shí)際的教學(xué)當(dāng)中，會(huì)由于器材的短缺、實(shí)驗(yàn)課堂的控制等原因，可能會(huì)以失敗告終。因此，物理實(shí)驗(yàn)不應(yīng)完全照搬教科書的設(shè)計(jì)，而是依據(jù)學(xué)校實(shí)際的實(shí)驗(yàn)資金、器材、教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的實(shí)際情況來提出符合實(shí)際教學(xué)要求的合理改進(jìn)及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案。

一、 電容充放電演示實(shí)驗(yàn)原設(shè)計(jì)及缺點(diǎn)

在廣東教育出版社出版的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-1中，第一章第七節(jié)了解電容器中，給出了一個(gè)電容器充放電的演示實(shí)驗(yàn)方案，原理圖如圖a。

該實(shí)驗(yàn)為演示實(shí)驗(yàn)，所需器材為電源、單刀雙擲開關(guān)、小燈泡、導(dǎo)線、470μF電容。學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)為觀察并能理解電容的充放電過程。

我們要求學(xué)生帶著以下問題觀察實(shí)驗(yàn)：

1. 當(dāng)單刀雙擲開關(guān)接到左端，電路中有電流嗎？電流通過的時(shí)間多長(zhǎng)？此過程中，電容帶哪種電荷？

2. 當(dāng)單刀雙擲開關(guān)接到右端，電路中有電流嗎？電流通過的時(shí)間多長(zhǎng)？此過程結(jié)束后，電容的極板還有電荷嗎？

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理和操作都十分簡(jiǎn)單，可以說明電容在充放電的過程中電路有電流流過。但是，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行反思，發(fā)現(xiàn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在以下問題：

1. 實(shí)驗(yàn)的首要目的是讓學(xué)生能觀察到電容充放電過程中是否有電流流過電路，電流通過時(shí)間的長(zhǎng)短。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，在電容充放電時(shí)燈L1亮，說明有電流流過電路，但L1亮的時(shí)間非常短，導(dǎo)致難以觀察電流通過時(shí)間的長(zhǎng)短和電流的變化情況。

2. 演示實(shí)驗(yàn)不僅要切合教材的內(nèi)容，明確實(shí)驗(yàn)的目的，更重要的是實(shí)驗(yàn)效果要明顯，對(duì)學(xué)生來說才更有說服力。如果是使用學(xué)生實(shí)驗(yàn)規(guī)格的電容如

470μF 甚至更小，燈L1亮度極小，難以觀察，燈L1就起不到明顯的顯示作用。

3. 舊式單刀雙擲開關(guān)和小燈等元件多次使用后壽命變短得較快，且單刀雙擲開關(guān)多次使用后不動(dòng)端會(huì)松，不穩(wěn)定。

4. 作為演示實(shí)驗(yàn)，元件較小，不利于學(xué)生遠(yuǎn)距離觀察，也沒參與實(shí)驗(yàn)，印象不深刻。

二、 改進(jìn)后的電容充放電實(shí)驗(yàn)原理和分析

根據(jù)以上提到的一些問題，我把該演示實(shí)驗(yàn)改成分組實(shí)驗(yàn)，可以給學(xué)生準(zhǔn)備好一些常用的元件，包括電阻、撥碼開關(guān)、發(fā)光二極管、電容、電池盒、

5號(hào)電池、萬能實(shí)驗(yàn)板等，并且給出改進(jìn)后的工作原理圖，讓學(xué)生根據(jù)原理圖連接好電路，并且進(jìn)行實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，記錄和分析。

如下圖b所示為改進(jìn)后的電路原理圖。

此電路可以進(jìn)行電容充放電演示的實(shí)驗(yàn)。該電路的充電電路由C1、C2、K1、R1及LED1組成，LED1用于顯示充電電流的大??；其放電電路由K2、R2、LED2、C1和C2組成，發(fā)光二極管LED2用于顯示放電電流的大小。

當(dāng)閉合開關(guān)K1時(shí)，電路處于充電狀態(tài)。電路中產(chǎn)生充電電流，流經(jīng)K1、R1和LED1，給電容C1、C2充電。在開關(guān)K1閉合的瞬間，C1、C2沒有電荷，電容兩極板間的電壓都是零，此時(shí)得到最大的充電電流，發(fā)光二極管LED1的亮度最強(qiáng)，隨著充電電流的減弱，LED1的亮度也逐漸減弱，直至充電完成，LED1熄滅。

當(dāng)LED1熄滅，表示電容C1、C2已充電完成。此時(shí)，斷開開關(guān)K1，閉合開關(guān)K2，兩電容開始通過K2、R2和LED2放電，點(diǎn)亮LED2，這表示電容在放電時(shí)電路中有電流流過。此時(shí)，電容C1、C2兩極板間的電壓隨著儲(chǔ)存的電荷的逐漸減少而降低，LED2的亮度也由最亮迅速變暗，直至電容兩端電壓為零時(shí)LED2熄滅，放電結(jié)束。

除了觀察到上面的現(xiàn)象外，我們還需要觀察電流通過的時(shí)間長(zhǎng)短。電阻R1和R2在電路中作為限流電阻，通過更換電路中R1和R2，我們可以發(fā)現(xiàn)R1和R2越大，充放電過程中LED1和LED2點(diǎn)亮的時(shí)間越長(zhǎng)；若在電路中再多并一個(gè)電容，那么充放電過程中LED1和LED2點(diǎn)亮的時(shí)間也會(huì)越長(zhǎng)。由此我們可以推斷，電流通過時(shí)間的長(zhǎng)短和限流電阻以及電容容量大小都有關(guān)。

三、 改進(jìn)后電容充放電實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

此設(shè)計(jì)與上面提到的教科書上的方案設(shè)計(jì)對(duì)比有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 把電容充放電的教師演示實(shí)驗(yàn)變成學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以更清晰地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。此外，也增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中親自動(dòng)手操作，體現(xiàn)了探究學(xué)習(xí)中學(xué)生的主體地位，他們對(duì)課本上理論知識(shí)的理解也會(huì)更深刻。

2. 改成分組實(shí)驗(yàn)所需要用的電子元件都是實(shí)驗(yàn)室常用的電子元件，容易購買，價(jià)格低廉。萬能實(shí)驗(yàn)板的使用，可以給學(xué)生一點(diǎn)提示，利用它能做各種各樣的電學(xué)實(shí)驗(yàn)和制作，這次實(shí)驗(yàn)一定程度上可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3. 實(shí)驗(yàn)室中一般都是小容量的電容，電路中用了兩個(gè)470μF的電容并聯(lián)來提高電容的容量，延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間，更利于觀察充放電過程。

4. 用發(fā)光二極管來代替小燈，解決了小燈因電容容量較小，燈的亮度不明顯造成觀察不到的問題，且發(fā)光二極管的壽命比小燈長(zhǎng)。

5. 用撥碼開關(guān)代替單刀雙擲開關(guān)，能滿足在萬能實(shí)驗(yàn)板上即插即用的要求，所占空間小，且有封裝安全、防水、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)以上的分析，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案解決了原方案出現(xiàn)的一些問題，并且能讓學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)中，能滿足物理課堂的需求，并且可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力、求知欲望和學(xué)習(xí)熱情，對(duì)物理教學(xué)能起一定的促進(jìn)作用。

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作者簡(jiǎn)介：陳冰，廣東省廣州市協(xié)和中學(xué)。endprint