利用電子積木探究2018年江蘇物理高考第8題

吳芳

摘 要：本文立足于物理實(shí)驗(yàn)課程改革需要，將中小學(xué)研究型課程中的學(xué)具——“電子積木”引入物理實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)，把一道物理高考題的講解變得具體，生動(dòng)，令人印象深刻。目的是使更多的學(xué)生隨時(shí)隨地可以探究物理實(shí)驗(yàn)，感悟物理學(xué)科帶來(lái)的魅力，促進(jìn)物理核心素養(yǎng)的形成。

關(guān)鍵詞：電子積木; 電容器; 充放電

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1006-3315（2019）8-022-002

1.引言

高二選修3-1《電容器的電容》一課中充放電內(nèi)容作為一個(gè)非重點(diǎn)知識(shí)，課本上以“從靈敏電流計(jì)可以觀察到短暫的充電電流、放電電流”一句而過(guò)，很多老師也是一帶而過(guò)，學(xué)生更是一知半解。以至到了高三，學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)印象模糊，因此不少學(xué)生在2018年江蘇物理高考第8題失分嚴(yán)重。如果結(jié)合電子積木，通過(guò)簡(jiǎn)單而具體的實(shí)驗(yàn)，就可以把本來(lái)抽象、不容易理解的習(xí)題，變得簡(jiǎn)單、具體、生動(dòng)，令人印象深刻。

電子積木引進(jìn)中小學(xué)研究性學(xué)習(xí)，并作為中小學(xué)生科技競(jìng)賽項(xiàng)目“電子百拼”已經(jīng)很多年了。它的元件多樣化，不僅包括了電源、導(dǎo)線(xiàn)、開(kāi)關(guān)、變阻器、燈泡、電表等常見(jiàn)元器件，還含有光敏電阻、發(fā)光二極管、三極管、干簧管、電容器、電感線(xiàn)圈、變壓器、手搖發(fā)電機(jī)等高中實(shí)驗(yàn)常見(jiàn)元器件，甚至還配置了流水彩燈、蜂鳴片、金屬探測(cè)器、FM收音機(jī)、錄音IC以及一些其他趣味集成電路。電子積木使得物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)變得實(shí)用、趣味、普及，讓孩子們從小接觸物理電路，并愛(ài)上物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)。但簡(jiǎn)單的模仿說(shuō)明書(shū)上的拼搭，不能讓他們知道這些奇妙現(xiàn)象發(fā)生的原理，這就需要初高中教師對(duì)物理電路部分教學(xué)進(jìn)行正確引導(dǎo)了。把電子積木引入課堂，在玩中做，做中學(xué)，遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，循序漸進(jìn)，逐步深化，促進(jìn)物理核心素養(yǎng)的形成。

2.原題重現(xiàn)

（2018年江蘇省高考物理試題第8題）如圖1所示，電源E對(duì)電容器C充電，當(dāng)C兩端電壓達(dá)到80V時(shí)，閃光燈瞬間導(dǎo)通并發(fā)光，C放電。放電后，閃光燈斷開(kāi)并熄滅，電源再次對(duì)C充電。這樣不斷地充電和放電，閃光燈就周期性地發(fā)光。該電路：

（A）充電時(shí)，通過(guò)R的電流不變？

（B）若R增大，則充電時(shí)間變長(zhǎng);

（C）若C增大，則閃光燈閃光一次通過(guò)的電荷量增大;

（D）若E減小為85V，閃光燈閃光一次通過(guò)的電荷量不變。

本題出題人意在考查電容器的充放電這個(gè)知識(shí)點(diǎn)學(xué)生的掌握情況，以及能否結(jié)合實(shí)際出現(xiàn)的情景，熟練運(yùn)用公式Q=CU，Q、I、t三者之間的關(guān)系，以及其他電路基本知識(shí)進(jìn)行合理的分析，從而得到正確答案。

3.利用電子積木設(shè)計(jì)電路進(jìn)行探究

（1）探究電容器充電時(shí)電路中電流的變化情況

（A）同學(xué)們對(duì)A選項(xiàng)閱讀分析后，有的同學(xué)提出：“因?yàn)槭浅潆?，電流逐漸增大?！庇械耐瑢W(xué)提出：“電容接在電池兩端，電壓應(yīng)該不變，電流也不變?！边€有的同學(xué)覺(jué)得電流應(yīng)該減小。眾口不一，事實(shí)究竟如何呢？我請(qǐng)同學(xué)們拿出電子積木，拼搭出電路進(jìn)行驗(yàn)證。同學(xué)們尋找到了電子積木元件，組成電路（如圖2所示）進(jìn)行定性分析，并且設(shè)計(jì)放入了電流表，讓題目以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呈現(xiàn)更直觀。同學(xué)們先連接好電路，按下電鍵，確保給電容放了電。然后閉合開(kāi)關(guān)，觀察發(fā)現(xiàn)：電流表先瞬間偏到了第9格，然后才漸漸回到0刻度線(xiàn)。

這是什么原因呢？原來(lái)開(kāi)關(guān)一閉合，電容器就開(kāi)始充電，此時(shí)電路電流瞬間達(dá)到最大。而后卻隨著電容器充電，其兩端電壓U會(huì)不斷地增大，而電動(dòng)勢(shì)E卻是不變的，這就導(dǎo)致電阻R兩端的電壓逐漸減小，根據(jù)歐姆定律，R兩端的電流I也逐漸減小。當(dāng)電容器充電完成時(shí)，電源與電容器極板間的電勢(shì)差就等于0了，即R兩端沒(méi)有電壓，I也就為0。因此，A選項(xiàng)錯(cuò)誤。

（2）探究?jī)H改變電阻，則電容器充電時(shí)間的變化情況

在有了對(duì)A選項(xiàng)的實(shí)驗(yàn)和分析的基礎(chǔ)上，不少學(xué)生一眼就看出選項(xiàng)B正確。電路實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生們把電阻R從1K[Ω]換成10K[Ω]。在先按下電鍵給電容放電的前提下閉合開(kāi)關(guān)，觀察到最大電流由原來(lái)電流表偏轉(zhuǎn)的9格，變成偏轉(zhuǎn)7格。不少同學(xué)在1K[Ω]和10K[Ω]來(lái)回對(duì)比，發(fā)現(xiàn)電流表指針從最大回到0的過(guò)程中，安裝10K[Ω]的電阻的電路，電容器充電的時(shí)間也比較長(zhǎng)。從中我們總結(jié)結(jié)論：當(dāng)電阻R變大時(shí)，充電瞬間電流達(dá)到的最大值變小，而充電時(shí)間卻變長(zhǎng)了。

結(jié)合題目分析，當(dāng)電阻R增大而電動(dòng)勢(shì)E不變的條件下，開(kāi)關(guān)剛閉合時(shí)電流I的瞬時(shí)值相應(yīng)減小了。而閃光燈放電，電壓還是80V，這說(shuō)明電容器充電電壓也是80V，根據(jù)公式Q=CU，電容器充電量Q不變。結(jié)合Q、I、t三者之間的圖像關(guān)系（如圖3所示），Q不變（即I—t圖像面積不變）、I減小，t就會(huì)相應(yīng)變長(zhǎng)了。所以B選項(xiàng)正確。

（3）探究?jī)H改變電容，則電容器充電電荷量的變化情況

按照C選項(xiàng)所述，電容C增大，閃光燈閃光一次通過(guò)的電荷量增大嗎？同學(xué)們依次使用10[μ]F和100[μ]F電容，按下電鍵放電，閉合開(kāi)關(guān)觀察數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)反復(fù)地觀察、對(duì)比，發(fā)現(xiàn)：在其他條件相同的情況下，使用100[μ]F的電容，電流表偏轉(zhuǎn)明顯大，并且指針回到0刻度線(xiàn)的時(shí)間明顯變長(zhǎng)了。依據(jù)現(xiàn)象，結(jié)合Q、I、t三者圖像關(guān)系（如圖4所示），很顯然電容器充電一次的電荷量Q（即I-t圖像面積）明顯偏大。

理論分析：由于電容C大，容抗就小，開(kāi)關(guān)剛閉合時(shí)電流I的瞬時(shí)值就大。而電容器電壓U仍然要達(dá)到80V才放電，這個(gè)條件不變，根據(jù)公式Q=CU不難理解，電容器充電量Q會(huì)隨電容C的增大相應(yīng)增大。而閃光燈閃光一次放的電荷量就是電容器此時(shí)充的電荷量，所以充電電荷量增多，放電電荷量自然而然也就增大了。那么選項(xiàng)C是對(duì)的。

（4）探究?jī)H改變電源電動(dòng)勢(shì)，則電容器充電電荷量的變化情況

遵循D選項(xiàng)，把電源電動(dòng)勢(shì)減小為85V，此時(shí)閃光燈閃光一次通過(guò)的電荷量又是怎樣的呢？由于有了前三個(gè)選項(xiàng)的鋪墊，同學(xué)們輕易就得到了答案。當(dāng)電源電動(dòng)勢(shì)E由90V減小到85V，但仍然大于80V，而實(shí)際電路中電容器一達(dá)到80V就要對(duì)閃光燈放電，從而循環(huán)往復(fù)。也就是說(shuō)給電容器充電，兩極板電壓還是會(huì)達(dá)到80V。這樣，當(dāng)電容器充電完成時(shí)，兩極板還是80V，根據(jù)公式Q=CU，電容器此時(shí)充電的電荷量還是Q不變，且能使閃光燈瞬間導(dǎo)通并發(fā)光，放出的電荷量自然也等于原來(lái)的Q。因此，D選項(xiàng)也是正確的。

當(dāng)然，如果電源電動(dòng)勢(shì)減小到80V以下，那么根據(jù)Q=CU，充電電量Q隨之減小，也就不能達(dá)到閃光燈放電的要求了。

4.結(jié)語(yǔ)

高中物理實(shí)驗(yàn)課程改革要求注重過(guò)程的呈現(xiàn)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情景，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生動(dòng)手操作，從而提升探究能力，并由此感悟物理學(xué)科所帶來(lái)的魅力。因此在我們利用高科技，不斷提高物理實(shí)驗(yàn)演示教學(xué)精度的同時(shí)，讓我們的學(xué)生人手一份實(shí)驗(yàn)裝置，人人在課堂內(nèi)外得以操作探討研究，也有不同尋常的意義。把電子積木引入課堂，讓學(xué)生隨時(shí)隨地在玩中做，做中學(xué)，在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。我將繼續(xù)嘗試、改進(jìn)、創(chuàng)新，也希望和廣大教師朋友一起努力，讓更多的學(xué)生動(dòng)手物理實(shí)驗(yàn)。