利用RC振蕩電路創(chuàng)新設(shè)計(jì)電容器特性的實(shí)驗(yàn)裝置

吳清理

摘 ? 要：高中物理選修教材中“電容器的容抗及其應(yīng)用”一節(jié)，對電容器及電容器特性進(jìn)行了理論闡釋，這部分內(nèi)容比較抽象，又沒有相應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)器材。大部分學(xué)生由于缺乏感性認(rèn)識，只能夠死記硬背。為了讓學(xué)生能夠更好地理解電容器及電容器特性的知識，于是引入RC振蕩電路，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一個能直觀形象地演示電容器特性的實(shí)驗(yàn)裝置，幫助學(xué)生感性地理解與掌握電容器的特性。本實(shí)驗(yàn)裝置已向國家知識產(chǎn)權(quán)局申請實(shí)用新型專利，并獲得了授權(quán)。

關(guān)鍵詞：RC振蕩電路;電容器;容抗;交變電流

引言

普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書，在選修教材“電容器的容抗及其應(yīng)用”一節(jié)中，對電容器及電容器特性進(jìn)行了理論闡釋，但沒有相應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)。大部分學(xué)生由于對于該方面知識缺乏感性認(rèn)識，未能很好地理解電容器及電容器特性相關(guān)知識，于是對老師的講解感到有點(diǎn)抽象迷茫，只能夠死記硬背。

為了讓學(xué)生能夠更好地理解電容器及電容器特性的知識，如電容器具有隔直流，通交流;電容器的容抗和電容量成反比;電容器的容抗和交變電流的頻率成反比等的特性，于是在引入RC振蕩電路的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一個能直觀形象地演示電容器特性的實(shí)驗(yàn)裝置。

1 ?實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和用途

1.1 ?特點(diǎn)

RC振蕩電路是指用電阻R和電容C組成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路[ 1 ]，一般可以產(chǎn)生1Hz-1MHz范圍的低頻信號。對于本次設(shè)計(jì)的電路中引入RC振蕩電路，如圖1虛線框所示，電路設(shè)計(jì)相對簡單。

在演示操作過程中，用一只9V干電池作為本實(shí)驗(yàn)裝置的電源，只需調(diào)節(jié)RC振蕩電路中電阻器Rv的阻值就可以改變RC的振蕩頻率，從而輸出頻率可調(diào)的交變電流。因此，利用本次設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置可以直觀形象地演示電容器的特性及電容器的容抗和電容量、頻率的關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)裝置具有操作簡單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，攜帶方便，既可以用于課堂教學(xué)的實(shí)驗(yàn)演示，也可讓學(xué)生進(jìn)行分組活動，自主探究。

1.2 ?用途

（1）演示電容器具有隔直流，通交流的特性;

（2）演示電容器的容抗和電容量成反比的關(guān)系;

（3）演示電容器的容抗和交變電流的頻率成反比的關(guān)系。

2 ?實(shí)驗(yàn)裝置電路圖及所用電子元件型號數(shù)值

2.1 ?實(shí)驗(yàn)裝置電路圖

本次創(chuàng)新設(shè)計(jì)的演示或探究電容器特性的實(shí)驗(yàn)裝置的電路圖如圖1所示，電路圖左邊虛線部分引入了由電阻R和電容C組成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路?？紤]到實(shí)驗(yàn)裝置用電的安全，故所設(shè)計(jì)的電源為9V直流電，經(jīng)過振蕩電路后，輸出為交變電流，利用調(diào)節(jié)可變電阻Rv（電位器），使輸出的交變電流的頻率隨著可變電阻阻值的變化而產(chǎn)生變化，測得本實(shí)驗(yàn)裝置輸出的交變電流，頻率大約在8Hz-40Hz之間，連續(xù)可調(diào)。

電路圖右邊■ 、■是一個實(shí)驗(yàn)所用的電容器，為了讓演示效果的更為明顯，所以設(shè)計(jì)所用的■ 、■的電容量相差較大有十倍之多，故在實(shí)驗(yàn)裝置中■、■的電容量設(shè)計(jì)為10μF和1μF。圖中的1、2、3、4均為接線柱，方便在演示或探究時，改變所用的實(shí)驗(yàn)電路。

具體實(shí)驗(yàn)裝置所用電子元件型號與數(shù)值見表1。

2.2 ?實(shí)驗(yàn)裝置所用電子元件型號與數(shù)值見表1

表1

3 ?演示操作過程

3.1 ?演示電容器具有隔直流，通交流的特性

首先，斷開S1、S2 、S3連接1、4兩端，閉合S，直流電源和C4、LED1構(gòu)成回路，觀察到 LED1沒有發(fā)光，再閉合S1，LED1發(fā)光。這就說明電容器具有隔直流的特性。

其次，斷開S1、S2 、S3連接2、4兩端，閉合S，構(gòu)成回路，觀察發(fā)現(xiàn)LED1發(fā)光。這也說明電容器具有通交流的特性。

再次，連接1、3兩端，閉合S，構(gòu)成回路，觀察發(fā)現(xiàn)毫安表讀數(shù)為0，說明沒有電流通過。連接2、3兩端，閉合S，構(gòu)成回路，觀察發(fā)現(xiàn)毫安表讀數(shù)不為0，說明有電流通過。這同樣說明電容器具有隔直流，通交流的特性。

從以上這些演示實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象中可以得出，電容器具有隔直流，通交流的特性。

3.2 ?演示電容器的容抗和電容量成反比的關(guān)系

第一步，斷開S1、S3，閉合S2，連接2、4兩端，閉合S，構(gòu)成回路，觀察發(fā)現(xiàn)LED1和LED2發(fā)出的光線亮度基本相同，閉合S1，觀察發(fā)現(xiàn)LED1發(fā)出的光比LED2亮。

第二步，再閉合S3，又構(gòu)成回路，觀察發(fā)現(xiàn)電容量為10μF的電容器對應(yīng)的LED2發(fā)出的光較亮，電容量為1μF的電容器對應(yīng)的LED3發(fā)的光較暗。

這部分演示實(shí)驗(yàn)形象直觀，可以定性地說明，電容器具有容抗，且電容量相等的電容器容抗相等，電容量大的電容器容抗小，電容量小的電容器容抗大。

3.3 ?演示電容器的容抗和交變電流的頻率成反比的關(guān)系

本部分實(shí)驗(yàn)借助示波器進(jìn)行演示

具體的演示操作過程如下：

選用J2458-1型示波器Y輸入端接3接線柱，連接2、3兩端，閉合總開關(guān)S，構(gòu)成回路，從左到右調(diào)節(jié)可變電阻RV，隨著可變電阻的阻值降低，從示波器的波形變化中可以觀察到交變電流頻率升高，隨著交變電流頻率的升高，觀察發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)也逐漸增大。

這部分的演示實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，從示波器所觀察到的現(xiàn)象可以得出，隨著交變電流的頻率升高，電容器的容抗降低，通過回路的電流增大，即電容器的容抗和交變電流的頻率成反比。（如圖2、圖3所示）

因此，通過以上的實(shí)驗(yàn)可很好地演示電容器具有隔直流，通交流的特性;形象直觀地說明，電容器具有容抗，電容量大的電容器的容抗小，電容量小的電容器的容抗大;在創(chuàng)新設(shè)計(jì)的電路中利用示波器和毫安表示數(shù)的大小，化抽象為具體地演示出電路中隨著交變電流頻率的升高，電容器的容抗降低，即電容器的容抗和交變電流的頻率成反比的關(guān)系。

4 ?實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）演示電路將電源、RC振蕩器、毫安表、電容器、LED等集中在一塊面板上，一目了然。打開箱蓋后，便可直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，儀器小巧輕便，容易攜帶，隨時隨地可以進(jìn)行演示。

（2）演示時操作簡便，學(xué)生從LED閃爍頻率亮度或示波器的波形變化中，直觀地感受到交變電流的頻率變化，明顯地觀察到容抗的變化。

（3）演示過程中現(xiàn)象明顯，兩只LED亮度差別較大，示波器的波形和毫安表的讀數(shù)變化也比較大，學(xué)生能直觀形象地觀察到電容器的特性及容抗等物理現(xiàn)象，增加了感性認(rèn)識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和理解能力，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的探索精神。

5 ?進(jìn)一步完善構(gòu)思

本實(shí)驗(yàn)裝置所設(shè)計(jì)的RC振蕩電路中的三個三極管，采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的3AX31型號，這三個三極管雖然能滿足本實(shí)驗(yàn)裝置的需求，但由于輸出功率較小，無法滿足毫安表和三只LED電路同時工作的需求。今后將對RC振蕩電路重新設(shè)計(jì)，提高輸出功率，讓毫安表和三只LED電路同時工作，這樣實(shí)驗(yàn)將會更加直觀，操作更加簡便。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳友宇.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.