定量探究電容器電容的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

王志斌 王若茗

(1. 歙縣中學(xué),安徽 黃山 245200; 2. 河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098)

1 常規(guī)探究電容器電容裝置

1.1 教材中的實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 教材實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 定量探究電容器電容裝置制作存在的困難

2 探究電容器電容裝置的設(shè)計(jì)與制作

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

鋁箔紙,包鮮花用PVC塑料紙,亞克力板,木工板(厚1.5cm),帶螺帽螺栓(直徑為1cm,長(zhǎng)6cm)6只;數(shù)字多用電表(能測(cè)電容)1只;導(dǎo)線、接線柱若干．

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置制作的原理

(1) 如圖2所示,用兩張等大鋁箔紙分別作為電容器的上下極板,中間夾一張PVC塑料紙(介電常數(shù)約為3.5,厚約為25μm)作為介質(zhì)層,壓緊使它們完全貼合在一起,就構(gòu)成了一個(gè)電容器,鋁箔紙的面積就是電容器極板的正對(duì)面積S0,作為介質(zhì)層的PVC塑料紙的厚度d,就是電容器兩極板間距d．

(2) 采用倍增累積法來改變與控制兩極板間的距離．若在上、下鋁箔紙間夾兩層PVC塑料紙為介質(zhì)層,壓緊使它們貼合緊密,就構(gòu)成了正對(duì)面積為S0,兩極板間距為2d的電容器(如圖3)．同理,在上下鋁箔紙間夾3層PVC塑料紙為介質(zhì)層,壓緊使它們貼合緊密,就構(gòu)成了正對(duì)面積為S0,兩極板間距為3d的電容器(如圖4)．

圖2 (S0,d)圖3 (S0,2d)圖4 (S0,3d)

(3) 采用倍增累積法來改變與控制兩極板的正對(duì)面積．n個(gè)正對(duì)面積為S0,極板間距為d的電容并聯(lián),就構(gòu)成一個(gè)正對(duì)面積為nS0,極板間距為d的電容器,按此原理,制作電容器組．如圖5所示,(a)中A1B1間由5個(gè)正對(duì)面積為S0,極板間距為d的電容器并聯(lián),構(gòu)成一個(gè)正對(duì)面積為5S0,極板間距為d的電容器,同理可得(b)(10S0,d),將A1A2連接,B1B2連接．A1A2,B1B2間就構(gòu)成一個(gè)正對(duì)面積為15S0,極板間距為d的電容器;保持正對(duì)面積為10S0,改變極板間距分別為2d、3d,分別構(gòu)成電容器(c)(10S0,2d)、電容器(d)(10S0,3d)．

圖5 電容

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置的制作

2.3.1 電容器的制作

步驟1:將兩塊木工板及兩塊亞克力板,按圖6中尺寸制作,并在圖示位置鉆直徑為1cm的小孔6個(gè)．

圖6

步驟2:將鋁箔紙大小均按圖7(a)所示裁剪,只是突出部分位置不同,圖7(a)形狀裁剪10張,圖7(b)、(c)、(d)形狀各裁剪20張;PVC塑料紙裁剪(40cm×41cm)100張．

圖7 電容器制作材料

圖8 單元電容器

步驟3:在水平放置的木工板(1)上放上亞克力板(1),使6個(gè)小孔分別正對(duì)．在亞克力板上按層疊方式平鋪裁剪后的鋁箔紙與PVC塑料紙,按鋁箔紙(下極板)→PVC塑料紙(介質(zhì)層)→鋁箔紙(上極板)→PVC塑料紙(絕緣層)順序,這樣就制成了一個(gè)單元電容器,如圖8所示，共鋪5個(gè)單元電容器即為圖5中第1組(A1,B1),以此類推,可得第2組(A2,B2),第3組電容器鋪設(shè)時(shí)在上下兩極板層間夾兩層PVC塑料紙為介質(zhì)層,極板間距為2d,可得第3組(A3,B3),同理可制作出第4組(A4,B4)．

步驟4:將各組上下極板的突出部分,分別緊密疊合在一起,作為電容器極板的引線,即(A1,B1)、(A2,B2)、(A3,B3)、(A4,B4)．

圖9 電容器俯視圖

步驟5:在鋪設(shè)完成的電容組上,平鋪上亞克力板2,在亞克力板2上再放木工板2,使4塊板的6個(gè)螺孔分別正對(duì),如圖9所示,木工板能將6個(gè)螺栓產(chǎn)生的壓力均勻施加在亞克力板上,表面平整的亞克力板才能使極板層與介質(zhì)層間均勻擠壓、緊密貼合,盡可能多排出各層之間的空氣,使得極板層之間的距離為d、2d和3d．這一步是制作的關(guān)健,筆者在制作過程中經(jīng)歷了多次失敗,才找到這種組合擠壓方案使裝置制作成功．

2.3.2 疊層式電容器實(shí)驗(yàn)裝置

如圖10為自制的定量探究電容器電容的實(shí)驗(yàn)裝置,在面板上嵌上數(shù)字萬用表,即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作或演示．

圖10 實(shí)驗(yàn)裝置

3 自制實(shí)驗(yàn)裝置探究過程及定量測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果

3.1 保持電容器兩板板間距離d相同,探究電容器電容C與正對(duì)面積S的關(guān)系

由圖10內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效圖,介紹電容器組內(nèi)部(A1,B1)及(A2,B2)之間的正對(duì)面積大小和極板間距大小,用數(shù)字多用電表的電容μF擋,直接測(cè)量(A1,B1)(A2,B2) 之間的電容;用兩根帶鱷魚夾的導(dǎo)線,分別連接A1和A2,B1和B2,用數(shù)字多用電表的電容μF檔,直接測(cè)量(A1A2,B1B2) 之間的電容值大小,數(shù)據(jù)及結(jié)論如表1．

表1 電容器電容大小與正對(duì)面積S的關(guān)系

3.2 保持電容器兩極板正對(duì)面積相同,探究電容器電容與兩極板間距d的關(guān)系

由圖10內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效圖,介紹(A2,B2)、(A3,B3) 及(A4,B4)間的極板正對(duì)面積和極板間距大小,用數(shù)字多用電表的電容μF擋測(cè)量(A2,B2)、(A3,B3) 及(A4,B4)間電容大小,數(shù)據(jù)及結(jié)論如表2．

表2 電容器電容與兩極板間距d的關(guān)系

該實(shí)驗(yàn)裝置在教學(xué)中使用簡(jiǎn)潔方便,準(zhǔn)確直觀,能夠滿足高效課堂的教學(xué)需要．同時(shí)該實(shí)驗(yàn)裝置還可用于探究電容器的串、并聯(lián)等．

4 自制實(shí)驗(yàn)裝置與常規(guī)實(shí)驗(yàn)裝置的比較

常規(guī)實(shí)驗(yàn)裝置與自制實(shí)驗(yàn)裝置的比較如表3所示.

表3 常規(guī)實(shí)驗(yàn)裝置與自制實(shí)驗(yàn)裝置的比較

實(shí)驗(yàn)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分,成品化供應(yīng)的教學(xué)儀器滿足不了師生個(gè)性化教學(xué)的要求．自制實(shí)驗(yàn)裝置成為實(shí)現(xiàn)教學(xué)創(chuàng)新的重要手段．本裝置制作過程中,師生共同協(xié)作,結(jié)合所學(xué)電容器的相關(guān)知識(shí),運(yùn)用等效替代法、控制變量法、倍增累積法和均分法,用易得材料制作疊層式電容器組．學(xué)生經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)問題、提出方案、制作與改進(jìn)裝置及實(shí)驗(yàn)探究過程,完善了電容器知識(shí)的建構(gòu),鍛煉了動(dòng)手能力,培養(yǎng)了獨(dú)立思考與創(chuàng)新能力,體會(huì)了成功的喜悅．教師在教學(xué)中對(duì)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)也真正落到了實(shí)處．

參考文獻(xiàn)：

1 趙力紅. 新時(shí)期自制教具的特點(diǎn)及其發(fā)展趨勢(shì)[J]. 物理教學(xué), 2017(7):13-19.

2 施堅(jiān). 核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的學(xué)生實(shí)踐意識(shí)提升的案例分析與思考——以人教版3-1“電容器的電容”為例[J]. 物理教師, 2017, 38(10):9-14.

3 李穎. 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維——以“了解電容器為例”[J]. 中學(xué)物理教學(xué)參考, 2017(11):21-23.