電容器帶電量與電勢差定性關(guān)系演示儀

段娟娟　王祥委　彭朝陽

1實驗器材

2只剝了外罩且卸了電池、時針、分針的石英鐘，1只數(shù)字電壓表，2節(jié)干電池，1個單刀雙擲開關(guān)，導(dǎo)線若干。

2實驗設(shè)計原理

電容器充電前，電容元件中未儲有能量，即電容器兩端電勢差U_C=0。充電過程中，隨著電容器兩極板上所帶等量異種電荷的增加，形成電流，接在充電電路中的石英鐘秒針走動起來，電容器兩端電勢差逐漸增大，電容器充電電壓U_C=U（1-e^-t/τ），其中時間常數(shù)τ=RC，時間常數(shù)r愈大，U_C增長愈慢，一般經(jīng)過3～5τ的時間，即可認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)態(tài)，即電路中電流為零，充電電路中的石英鐘秒針停止走動，電容器兩端電勢差U_C=U。電容器放電過程中，電容元件充電電壓達(dá)到電源電壓U時（即U_C=U）。閉合開關(guān)，隨著電容器兩極板上電荷量的減少，放電回路中形成短暫的電流，接在放電回路中的石英鐘秒針就會被短暫的電流所驅(qū)動，Uc逐漸減小，電容器放電電壓U_C=Ue^-t/τ，其中τ=RC。時間常數(shù)τ愈小，U_C衰減愈快，即電容器放電愈快。放電結(jié)束，電路中電流為零，放電回路中的石英鐘秒針停止走動，電容器兩端電壓U_C=0。

3實驗設(shè)計簡圖

實驗設(shè)計如圖1、2所示。

4使用方法

（1）如圖1所示，將單刀雙擲開關(guān)向A點閉合，讓電源對電容器進(jìn)行充電，左邊電路形成一個充電回路，石英鐘秒針走動起來，數(shù)字電壓表示數(shù)在不斷增加。充電結(jié)束時石英鐘秒針停止走動，數(shù)字電壓表顯示電容器兩端的電勢差近似等于電源電壓。引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)得出電容器在充電時兩極板間的電荷量Q增加，兩極板間的電勢差U也在增加。

（2）將單刀雙擲開關(guān)向B點閉合，讓電容器進(jìn)行放電，右邊電路形成一個放電回路，石英鐘秒針走動起來，數(shù)字電壓表示數(shù)在不斷減少。放電結(jié)束時石英鐘秒針停止走動，數(shù)字電壓表顯示電容器兩端的電勢差近似等于零。引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)得出電容器在放電時兩極板間的電荷量Q減少，兩極板間的電勢差U也在減少。

5主要特點

本裝置取材方便，結(jié)構(gòu)簡單，便于存放，用石英鐘放慢且放大了電容器的充放電現(xiàn)象，充放電過程中的變化能清晰顯示出來，具有較高的可見度，在教學(xué)中能夠給學(xué)生帶來強(qiáng)烈的視覺沖擊。同時，該演示實驗證實了電容器是儲能原件，其電容就表征了電容器儲存電荷的本領(lǐng)。

6注意事項

（1）為達(dá)到較好的演示效果，所用電容器的電容量要盡可能大（1000μF以上為宜）。本裝置選用的是電容量2200μF耐壓50V的電解電容器。

（2）為了增強(qiáng)演示效果，突出面板上的主要元件，在設(shè)計電路時把連接部分藏在了木板的背面。