高中生對(duì)電容器學(xué)習(xí)的難點(diǎn)分析及其對(duì)策

周桑霓

(廣州華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 510006)

一、難點(diǎn)及其對(duì)策

1.電容器的結(jié)構(gòu)及其作用

高中生對(duì)于學(xué)習(xí)電容器的第一個(gè)難點(diǎn)就是對(duì)電容器的結(jié)構(gòu)及其作用的理解.任何兩個(gè)彼此絕緣又相距很近的導(dǎo)體，都可以組成一個(gè)電容器.例如生活中廣泛運(yùn)用的短天線，雖然看著不像，但也是一種電容器.在高考題中經(jīng)常出現(xiàn)的平行板電容器由兩塊金屬板和一層或多層絕緣電介質(zhì)構(gòu)成.在兩金屬板間加上電壓，兩個(gè)極板間會(huì)存在電勢(shì)差，電勢(shì)差產(chǎn)生電場(chǎng)，在電場(chǎng)力的作用下，電極存儲(chǔ)電荷.所以說(shuō)它是一種是儲(chǔ)能元件.

為了幫助加深高中生對(duì)于電容器作用的理解，可以采用類比法，將電容器類比為水容器(柱形水桶).評(píng)價(jià)一個(gè)水桶，應(yīng)該知道它可以裝多少體積水，也就是容納水的能力.如果知道這個(gè)水桶的高度和可以容納多少體積的水，也就可以知道水桶的橫截面積.這個(gè)參數(shù)是由水容器自身性質(zhì)決定的.同理，評(píng)價(jià)一個(gè)電容器，就應(yīng)該通過(guò)它容納電荷的本領(lǐng)來(lái)評(píng)價(jià).電容器極板上的帶電量就相當(dāng)于水桶里水的體積，電容器的電容就相當(dāng)于水容器的底面積，是由電容器自身的性質(zhì)決定的，不隨外界的改變而改變.就像水桶必須有高度才能儲(chǔ)存水一樣，必須在極板的兩端給電容器提供外加電壓，它才能儲(chǔ)存電荷.在不同的電容器兩極上加上相同的電壓，由于自身的性質(zhì)差異，它們儲(chǔ)存的電荷量可能也有所差距.國(guó)際上統(tǒng)一規(guī)定，給電容器外加1伏特直流電壓時(shí)，它所能儲(chǔ)存的電荷量，為該電容器的電容量(即單位電壓下的電量)，用字母C表示.

通過(guò)這個(gè)類比，學(xué)生們可以更加好的理解這個(gè)公式.

2.電容器充電的理解難點(diǎn)

把電容器的一個(gè)極板接電源的正極,另一個(gè)極板接電源的負(fù)極，兩個(gè)極板分別帶上了等量的異種電荷，這個(gè)過(guò)程叫電容器的充電.在這里會(huì)有同學(xué)有疑惑，為什么接電源的極板上的自由電子會(huì)移動(dòng)到另外一個(gè)極板上呢？這是教師應(yīng)該帶領(lǐng)學(xué)生回顧電勢(shì)差，電場(chǎng)力這一章節(jié)所學(xué)習(xí)的內(nèi)容，融會(huì)貫通，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考.

有同學(xué)會(huì)對(duì)電容的充放電曲線產(chǎn)生疑惑，不能理解為什么在電容器兩端剛開(kāi)始接通電源時(shí)，電流達(dá)到最大值，而隨著時(shí)間的增加電流卻逐漸減小.為解釋這個(gè)疑惑，教師需要仔細(xì)講解充電的具體過(guò)程.實(shí)際上電流是由電荷定向移動(dòng)形成.隨著電荷的不斷移動(dòng)，電容器兩極板上累積的電荷不斷增加.當(dāng)電容器兩極板間累積的電荷所產(chǎn)生的電壓等于電源電壓時(shí)，由于兩個(gè)電壓的疊加作用，極板兩端便不再存在電勢(shì)差.電荷沒(méi)有了驅(qū)動(dòng)力無(wú)法移動(dòng)，因此電流減小為零.電容器看起來(lái)是存儲(chǔ)電荷，實(shí)質(zhì)上儲(chǔ)存的是電場(chǎng)能.充電后的電容器的兩極板之間有電勢(shì)差，存在電場(chǎng)，電能轉(zhuǎn)化成電場(chǎng)能.

在演示電容的充放電時(shí)，老師常在課堂上采用靜電計(jì)進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn).但是由于靜電計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)受到環(huán)境(例如空氣濕度)，器材和教師個(gè)人實(shí)驗(yàn)操作技能等因素的影響很大，實(shí)驗(yàn)的成功率往往不高，會(huì)阻礙學(xué)生對(duì)這一知識(shí)點(diǎn)的理解.同時(shí)學(xué)生不了解靜電計(jì)的工作原理，不明白實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的含義，這在一定程度上造成了認(rèn)知障礙.因此這個(gè)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)往往無(wú)法發(fā)揮它的作用.在這里，可以應(yīng)用數(shù)字化平臺(tái)DISLAB來(lái)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)成功率.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以通過(guò)電腦直觀的反應(yīng)電容的充放電過(guò)程，更有利于學(xué)生進(jìn)行理解.

同時(shí)教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考，電容器上的電壓是否能突變.在充電和放電過(guò)程中，電容器兩極板上電荷的聚集是一個(gè)累積過(guò)程，因此電壓建立需要一定的時(shí)間而并不能突變.

3.電容器如何隔直通交

電容器具有阻止直流電流通過(guò)，允許交流電流通過(guò)的能力.許多同學(xué)對(duì)于電容器這一特性僅限于了解，而不能很好的解釋電容器究竟是如何阻值直流通過(guò)，允許交流通過(guò)的.

事物內(nèi)在的結(jié)構(gòu)決定了它外在特性的表現(xiàn).因此要理解電容器隔直通交的特性，首先要了解電容器的結(jié)構(gòu).電容器由兩端的極板和中間的絕緣電介質(zhì)構(gòu)成.電容器通直流電后，極板迅速積累電荷，攜帶不同類型電荷的兩個(gè)極板間形成電勢(shì)差.雖然極板間有電場(chǎng)的存在，但由于中間的物質(zhì)是絕緣的，電荷無(wú)法通過(guò)，因此整個(gè)電容器是不導(dǎo)電的，這就是通常說(shuō)的隔直.

在交流電路中，電流的方向是隨時(shí)間成一定的函數(shù)關(guān)系變化的.我們一般利用正弦函數(shù)表達(dá)正弦交流電：

U=Umaxsin(ωt+φ)(2)

由公式可看出，電容器兩端的電壓也和時(shí)間成一定的函數(shù)變化關(guān)系，這與直流電路有所不同.在直流電路中，兩端極板的電荷累積到一定程度時(shí)，兩極板間沒(méi)有電勢(shì)差，電荷沒(méi)有了驅(qū)動(dòng)力，不再移動(dòng).沒(méi)有電荷移動(dòng)則沒(méi)有電流.但在交流電路中，電容器接入交流回路時(shí)，兩極板的電勢(shì)差在不斷改變，電荷則不斷有驅(qū)使它運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力.所以在充放電過(guò)程中，電容可以通過(guò)交流電流.實(shí)際上，電流是通過(guò)電場(chǎng)的形式在電容器間通過(guò)的，而不是一般意義上的電流.這一點(diǎn)對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)也是十分不好理解的.

這個(gè)時(shí)候老師可以做一個(gè)延伸.任何物質(zhì)都是相對(duì)絕緣的，當(dāng)物質(zhì)兩端的電壓加大到一定程度后，物質(zhì)是可以導(dǎo)電的.使物質(zhì)可以開(kāi)始導(dǎo)電的電壓稱為擊穿電壓.電容也存在著擊穿電壓.電容被擊穿后，中間的物質(zhì)便不可以看做絕緣體處理了.但在中學(xué)階段，題目中的電容器通常的工作電壓都默認(rèn)小于擊穿電壓.所以在題目中，學(xué)生在直流電路中遇到電容器，可以把它當(dāng)做絕緣體處理.

二、總結(jié)

為了讓學(xué)生可以更好的理解電容器，教師在課堂上不能疏忽對(duì)于電容器結(jié)構(gòu)的講解，因?yàn)閷?duì)電容器結(jié)構(gòu)的理解是學(xué)習(xí)電容器特性的基礎(chǔ)，教師可以使用類比法幫助學(xué)生對(duì)電容器進(jìn)行理解.在探究電容器時(shí)，可以使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的靜電計(jì)實(shí)驗(yàn).