定量探究影響電容大小因素實驗器材改進與創(chuàng)新

何恩陽

摘 ? 要：筆者在教學實踐過程中，總結了“探究平行板電容器電容大小影響因素”實驗，存在電荷易流失，易受環(huán)境濕度影響，極板距離、正對面積無法定量改變等問題，提出了相應的改進建議，并在此基礎上進行教具創(chuàng)新，實現(xiàn)了平行板電容器電容值與極板距離、電介質、正對面積的定量探究。

關鍵詞：平行板電容器;定量探究;實驗改進;教具創(chuàng)新

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2020）1-0049-3

教科版高中物理教材中《電容器和電容》[1]包括“平行板電容器的電容與哪些因素有關”的實驗。

教材中，采用的是先讓平行板電容器帶電，通過靜電計指針偏轉程度定性地反映極板間電勢差的變化，再根據(jù)電容的定義式C=，間接反映出電容大小的變化情況，從而得出影響電容大小的相關因素。然而，在實際操作過程中，教材中的實驗存在著諸多不足。

1 ? ?原實驗存在的不足

（1）原實驗是一個靜電實驗，前提條件是極板所帶電荷量Q不變。然而平行板電容器和靜電計都直接置于空氣中，尤其在空氣濕度較高的情況下，電荷容易流失，無法滿足前提條件;靜電計只能定性地描述極板間電壓的變化，無法測得具體的電容值。

（2）極板帶電過程需要使用靜電發(fā)生器，該儀器在使用操作過程中會產(chǎn)生高壓，甚至產(chǎn)生電火花。

（3）該實驗改變極板之間的距離是通過用手平移極板實現(xiàn)的，難以定量地控制，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。

（4）該實驗改變極板正對面積是通過手移動一邊極板，使極板錯開實現(xiàn)的，錯開過程由于手的不穩(wěn)定，難以保持極板間距離不變，且無法定量得出正對面積的變化。

2 ? ?實驗改進與教具制作

本次實驗的改進分為測量方式的改進和實驗器材的改進制作。

（1）將測量儀器直接換成可直接測量電容值的數(shù)字電容表，既不需要兩極板帶電，測量也方便、準確。

（2）定量探究極板距離和絕緣物質與電容的關系，通過制作兩塊大小相同的金屬圓板并在邊緣打上圓孔（除圓孔周圍，其他部分涂上絕緣漆），并制作大小和厚度相同的4塊PVC板、木板、有機玻璃板和紙板（如圖1）。

（3）定量探究極板正對面積和電容值之間的關系。將一塊長方形鋁塑板（又叫鋁塑復合板，中間為非金屬絕緣體，兩邊為金屬鍍層）保持一面面積不變，一面切分為S/2、S/4、S/8、S/16（除用于測量部分需露出金屬，其余部位均涂上絕緣漆），通過電容表直接測量不同正對面積對應的電容值，得出正對面積與電容的精確關系。

（4）制作了專門的木制支架，可用于固定平行板電容器兩極板以及鋁塑板。防止因為手的抖動影響實驗精確程度。

3 ? ?具體實驗操作方法

（1）本套教具木制支架滑桿上有若干用于固定兩極板的滑塊，滑塊寬度相等，可用于等間距地改變兩極板距離，完成定量實驗，也可以通過移動滑塊從而任意改變兩極板距離完成定性探究（如圖2）。

由于影響平行板電容器電容值的因素較多，一般采用控制變量法進行研究。圖3中電介質為空氣，可以插入木板、PVC板、有機玻璃板、紙板等不同介質材料，通過改變插入介質張數(shù)，定量改變極板間距離，再由電容表讀出示數(shù)，完成定量探究（如圖3、表1）。

分析：可以看得到在正對面積和電介質相同的情況下，隨著電介質板張數(shù)的增加，平行板電容器的電容值減小，即兩極板距離越大，平行板電容器電容值越?。▓D4）。

（2）探究電介質與電容值的關系，可以在兩極板間插入厚度和張數(shù)均相同的不同介質材料板，再測量出不同電介質材料下具體電容值（如圖5、表2）。

分析：可以看到兩極板距離和正對面積相同的情況下，插入電介質不同，電容值不同，電容與電介質材料有關（圖6）。

（3）探究平行板電容器正對面積與電容值的關系，同一塊鋁塑板，兩極板（鋁膜）距離相等，電介質相同。測量時，將數(shù)字電容表正負極分別接在鋁塑板兩邊，讀出正對面積為總面積的S/2、S/4、S/8、S/16時對應的電容值，完成定量探究（如圖7、表3）。

分析：可以看到在極板距離、電介質相同的情況下，隨著正對面積的減小，電容值在成倍減小，并且正對面積與電容之間成正比（圖8）。（由于此實驗中，沒有辦法固定導線夾，讀數(shù)波動較大，可使用電容表鎖定示數(shù)功能，方便讀數(shù)）。

4 ? ?評價與總結

用數(shù)字電容表直接測量電容值靈敏、精確，且不受空氣濕度影響;直接改變兩極板間同種介質板的張數(shù)來改變極板距離，測量精確、方便，能定量得出電容與極板距離的關系（由于極板表面涂有絕緣漆，因此不能精確得到反比關系，但可以明顯觀察到反比趨勢）;保持極板間插入介質板張數(shù)一樣，改變介質板種類，能定量得出電介質與電容的關系;長方形鋁塑板一面面積分別為S/2、S/4、S/8、S/16，可精確測量出電容值隨著正對面積成倍變化，得到正對面積與電容值正比的關系。

該教具相比于傳統(tǒng)實驗更精確，且不受外部環(huán)境和人為操作影響，探究過程簡捷，實驗結果可靠，在探究平行板電容器電容大小的決定因素時，具有很大優(yōu)勢。能夠激發(fā)學生在探究性實驗過程中的積極性和主動性，在科學探究中，加深對電容概念、電容影響因素的理解，養(yǎng)成嚴謹認真、實事求是的科學態(tài)度。

參考文獻：

[1]陳熙謀，吳祖仁.教科版高中物理選修3-1[M].北京：科學教育出版社，2017：31-32.

[2]梁開展.“研究影響平行板電容器電容大小的因素”的實驗器材及方法的改進[J].中學物理教學參考，2016，45（4）：95.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）