運用PASCO傳感器研究電容器對交變電流的影響

吉林師范大學物理學院(136000) 周 瑩 劉茂軍

1 實驗改進思路

電容對交變電流的影響是高中物理“交變電流”一章的教學難點，人教版教材中把燈泡和電容器串聯(lián)，分別接到直流電源與交流電源上，對比前后兩次燈泡的亮度。該實驗僅能說明交流電能通過電容器，而對于電容器對交流電的阻礙作用，教材中則是直接給出結(jié)論，提出電容的大小和交流電的頻率這兩個影響因素，但沒有對相關(guān)數(shù)據(jù)做定量研究。

本實驗運用PASCO數(shù)字化傳感器對該實驗進行重新設計和完善，與人教版教材中的實驗相比，本實驗有以下改進。

(1)采用控制變量法，分別定量研究電容大小和交流頻率對交變電流的影響，充分考慮實驗的完整性和全面性。

(2)數(shù)字化傳感器可以準確記錄電路閉合到斷開的電流變化圖象，有助于學生理解交流電的特點。

(3)采集多組數(shù)據(jù)，通過實驗數(shù)據(jù)的雙向?qū)Ρ冉Y(jié)合理論分析，定量驗證了不同條件下電容器對交變電流的阻礙變化情況。

2 實驗過程與實驗數(shù)據(jù)

本實驗用電阻箱代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗中的小燈泡，避免了溫度升高時燈泡阻值增大而使實驗數(shù)據(jù)精確度下降的問題。直流電源與交流電源的輸出電壓均控制為5 V，電阻箱的阻值調(diào)至RL=15 Ω。

2.1 研究電容器的電容大小對交變電流的影響

(1)連接電路。

如圖1所示，選用電容大小為10 μF的電容器與電阻箱串聯(lián)，分別連接直流電源與交流電源，閉合開關(guān)，觀察電流的變化情況。實驗條件不變，改用電容大小為47 μF的電容器再次測量。將電容器取下，使電阻箱直接與電源相連。比較各次測得的I-t圖象。

圖1 電容器串聯(lián)演示實物圖

(2)實驗圖像示例如圖1～4所示。

圖2 交流電路中串聯(lián)不同電容的I-t圖象

圖3 串聯(lián)10 μF電容器的I-t圖象

圖4 串聯(lián)47 μF電容器的I-t圖象

(3)實驗數(shù)據(jù)分析。

設定串聯(lián)10 μF的電容器時電路中的電流為I1，串聯(lián)47 μF的電容器時電流為I2，取下電容器后電流為I3，分別記錄各實驗中直流電路與交流電路的電流大小見表1。

表1 不同大小的電容對直流與交流的影響

從表1中可以看出，交變電流能夠通過電容器，而直流電幾乎不能通過電容器；但取下電容器后電流值I3明顯增大，表明電容器對交流電仍有阻礙作用；對比I1和I2發(fā)現(xiàn)，電容器的電容越大，對交流的阻礙作用越小。

2.2 研究交流的頻率對交變電流的影響

(1)連接電路。

選用電容大小為10 μF的電容器與電阻箱串聯(lián)到交流電路中，改變交流的頻率從50 Hz逐步增加到1 000 Hz，觀察對應電流的變化情況。實驗條件不變，改用電容大小為47 μF的電容器再次測量。分別記錄兩次實驗的電流值。

(2)實驗圖像示例如圖5～6所示。

圖5 串聯(lián)10 μF電容器的I-t圖象

圖6 串聯(lián)47 μF電容器的I-t圖象

(3)實驗數(shù)據(jù)分析。

設定串聯(lián)10 μF的電容器時電流為I1，串聯(lián)47 μF的電容器時電流為I2。改變交流的頻率，從50 Hz逐步增加到1 000 Hz，依次記錄各電路中對應電流的變化值見表2。

從表2中可以看出，隨著交流電頻率的增加，電路中的電流值也逐漸增大，說明電容器對交流電的阻礙作用逐漸減??；通過各數(shù)據(jù)的縱向?qū)Ρ龋l(fā)現(xiàn)47 μF的電容器比10 μF的電容器對應的電流值更大，從而驗證了結(jié)論：電容器的電容越大，對交流的阻礙作用就越小。

表2 交流的頻率改變時電流的變

3 結(jié)論

以上兩組實驗清晰地演示了電容大小和交流頻率對交變電流的影響，通過定量研究驗證了電容器對交流的阻礙作用：電容器的電容越大，交流的頻率越高，電容器對交流的阻礙作用就越小。