電容器充放電演示儀的創(chuàng)新設(shè)計及實驗演示

劉利瀾

(廣州市玉巖中學(xué) 廣東 廣州 510700)

李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

演示實驗是物理教學(xué)的重要組成部分，將抽象化的知識或概念具體化為直觀清晰的實驗現(xiàn)象，不僅能加深學(xué)生對物理知識的理解，還能培養(yǎng)學(xué)生知識遷移的能力和創(chuàng)造性思維.近年來，自制創(chuàng)新教具因其取材方便、現(xiàn)象明顯、教學(xué)效果良好等而逐漸被用于課堂教學(xué)中[1,2].

“電容器的電容”是高中物理的一個重要教學(xué)內(nèi)容，但電容器進行充放電的過程抽象，不易被學(xué)生理解，因此有必要將電容器充放電過程具體化.針對“電容器的電容”教學(xué)現(xiàn)狀，創(chuàng)新地設(shè)計了電容器充放電演示儀，該教具是集電、光、磁于一體的多功能演示儀，通過演示不同的實驗現(xiàn)象促進學(xué)生對電容概念的理解，激發(fā)學(xué)生的好奇心，優(yōu)化課堂教學(xué).

1 教具的設(shè)計與改進

1.1 優(yōu)化教材原型實驗

在高中物理教材人教版選修3-1中介紹的演示實驗，采用靈敏電流計偏轉(zhuǎn)情況顯示電容器充放電過程(如圖1所示)[3].

圖1 教材中電容器充放電電路圖

在實踐中發(fā)現(xiàn)，該方案存在兩方面的問題：一是靈敏電流計量程較小，導(dǎo)致充放電現(xiàn)象可見度不高且稍縱即逝，還易造成儀器的損壞.二是該方案中單一地用靈敏電流計來表示充電與放電過程，易讓學(xué)生誤以為電容器儲存的電荷只能輸出成電能，實際上，電容器放電時釋放出的電能，還能被轉(zhuǎn)化為其他形式的能量加以利用.筆者認為該實驗演示較為片面，過程缺乏探究性.

針對教材實驗存在的不足，設(shè)計了多功能電容器充放電演示儀，如圖2所示.

圖2 改進電路圖

具體改進如下：

(1)利用小燈泡的亮暗演示充電過程.

(2)用單向?qū)ǖ陌l(fā)光二極管檢測充放電的電流方向.

(3)利用耗電少的石英鐘記錄放電時間.

(4)利用電磁炮演示電容器釋放的電能可轉(zhuǎn)換成其他形式的能量.

1.2 制作材料

3種不同規(guī)格的電解電容(分別是“1 000 μF,25 V”“2 200 μF,25 V”“3 300 μF,25 V”)各1只；學(xué)生電源(12 V)；單刀雙擲開關(guān)1只；單刀開關(guān) 4 只；電位器(10 kΩ)1個；小燈泡(2.5 V,0.3 A)1個；電阻(50 Ω)一個；石英鐘(3 V)1個；KT板1塊；發(fā)光二極管若干,線圈、木板、磁鐵釘、導(dǎo)線等.(說明：以上器材參數(shù)是筆者嘗試后認為有明顯實驗現(xiàn)象而確定的，研究者可自行調(diào)整)

1.3 實驗裝置的制作

(1)按圖2所示的電路圖組裝“電容器充放電演示儀”裝置，如圖3所示.

圖3 教具裝置圖

(2)搭建框架

利用一塊長木板作為裝置的底座，將KT板放置在木板底座上作為放置元器件的平臺，并用4根木條固定整個框架.

(3)電路設(shè)計

在干路上串聯(lián)一個R0作為保護電阻保護電路，將3種不同容量的電容器并聯(lián)到電路中，對比不同容量電容器儲電能力.將10 kΩ電位器和發(fā)光二極管以及石英鐘串聯(lián)起來并入電路中，電位器可調(diào)節(jié)電路電阻，調(diào)節(jié)電容器放電時間.利用發(fā)光二極管(將紅色發(fā)光二極管焊接成桃心形狀，使現(xiàn)象更明顯、有趣)的特性能展示電流的大小和方向，石英鐘具有能記錄時間且損耗電能較少的特點，該儀器的引入可增加實驗現(xiàn)象的可見度和直觀性.

(4)制作電磁炮

將多匝線圈繞在PVC管上，并在管內(nèi)放一個磁鐵釘，電磁鐵裝置并聯(lián)接入電路中.給電磁鐵通電后，鐵釘會從電磁鐵中發(fā)射出來，觀察鐵釘發(fā)射后飛出的方向和距離，可判斷電流的方向和大小.電磁炮的引入可增加教具的趣味性和實踐意義.

2 電容器充放電演示儀的演示

2.1 使用方法

(1)根據(jù)實驗需要選擇電路

根據(jù)需要演示的實驗過程，通過開關(guān)閉合或斷開選擇演示儀的相應(yīng)電路.

(2)電容器充電過程

接通電源，將單刀雙擲開關(guān)S1撥到1端，閉合電容器上端的開關(guān)(可任意選取S2,S3，S4)，電容器開始充電，小燈泡先閃亮后熄滅表示充電完成.

(3)電容器放電過程

在步驟(2)的基礎(chǔ)上將單刀雙擲開關(guān)S1撥到2端，閉合發(fā)光二極管上端開關(guān)S5，電容器開始放電，發(fā)光二極管亮起，石英鐘走動計時，發(fā)光二極管亮度逐漸減弱至熄滅，石英鐘停止走動表示放電完畢.

(4)電磁炮趣味實驗

在步驟(2)的基礎(chǔ)上將單刀雙擲開關(guān)S1撥到2端，將電磁炮路端的開關(guān)S6閉合，電容器放電，可觀察到電磁炮中的磁鐵釘飛出.

2.2 電容器充放電演示儀的教學(xué)演示

本教具的開發(fā)遵循多功能的設(shè)計原則，力求起到一具多用的效果.通過在課堂上利用上述自制的低成本創(chuàng)新電容器充放電演示儀，教師可引導(dǎo)學(xué)生帶著問題走進實驗室，通過實驗現(xiàn)象思考問題.

2.2.1 創(chuàng)設(shè)情境 導(dǎo)入電容器

(1)將單刀雙擲開關(guān)S1撥到1端(電源電壓為12 V)，再閉合開關(guān)S2接入量程為“1 000 μF,25 V”的電容器，可觀察到小燈泡L1先閃亮后逐漸熄滅.

(2)小燈泡熄滅后將單刀雙擲開關(guān)S1撥到2端，閉合開關(guān)S5，可觀察到發(fā)光二極管發(fā)光，同時石英鐘走動計時.

通過該演示實驗的現(xiàn)象引發(fā)學(xué)生的認知沖突并提出問題：發(fā)光二極管發(fā)光、石英鐘會走動說明有電流通過，但電路中沒有接入電源，此時的電流從何處來？引發(fā)學(xué)生的討論，激發(fā)學(xué)生的求知欲.接著引導(dǎo)學(xué)生觀察電路圖，猜想發(fā)光二極管能發(fā)光與電容器有關(guān)，導(dǎo)入電容器，通過實驗現(xiàn)象為學(xué)生創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生解決問題.改進后的演示實驗可視性增強.

2.2.2 觀察充放電過程 建立電容概念

在2.2.1演示實驗中，學(xué)生猜測發(fā)光二極管能發(fā)光與電容器有關(guān)，但這還停留在對現(xiàn)象的認知上，此時，教師可進一步提出問題，電容器是什么以及如何工作的？教師引導(dǎo)學(xué)生觀察電容器充放電過程的示意圖(圖4)，發(fā)現(xiàn)電容器是一種儲存電荷的“容器”，充電時，電容器儲存了電能；而放電時，釋放出儲存的電能，并轉(zhuǎn)化為其他形式的能量加以利用.在建立了電容器的概念后，學(xué)生對電容器產(chǎn)生了一定的認識，教師可引導(dǎo)學(xué)生思考：既然電容器是一種儲存電荷的“容器”，那就有“容量”大小的問題，如何表征電容器的儲電能力？具體演示如下：

圖4 電容器充放電過程示意圖

(1)將單刀雙擲開關(guān)S1撥到1處，在閉合開關(guān)S2后可觀察到小燈泡L1先閃亮后逐漸熄滅，該現(xiàn)象表示電容器充電完成.

(2)小燈泡熄滅后將單刀雙擲開關(guān)S1撥到2端，閉合開關(guān)S5，可觀察到發(fā)光二極管開始發(fā)光，同時石英鐘開始走動計時.

(3)隨著時間的增加，發(fā)光二極管亮度逐漸減弱至熄滅，石英鐘停止走動，該現(xiàn)象表示電容器放電完畢，石英鐘走過的時間能大致反應(yīng)電容器放電的時間，引導(dǎo)學(xué)生記錄該電容器放電的時間.

(4)按照同樣的操作步驟可分別再閉合開關(guān)S3,S4，引導(dǎo)學(xué)生觀察不同電容器充電時小燈泡的閃亮程度，在放電過程中觀察石英鐘記錄的不同電容器的放電時間.可觀察到電路中接入的電容器的電容越大，充電時小燈泡會越亮；放電時，石英鐘走過的時間越長，能反映出該電容器放電時間越久.

演示實驗中通過石英鐘記錄不同容量的電容器放電時間，可以定性地分析電容器容量對電容器儲電能力的影響：充電電壓相同時，電容越大，電容器放電時間越久，即說明其儲電能力越強.理論分析和實驗驗證相結(jié)合的手段，幫助學(xué)生建立電容的概念.結(jié)合定性的實驗方式對比不同容量的電容器放電時間，以間接描述電容器儲電能力的強弱，在演示實驗過程中滲透控制變量的物理思想，促進學(xué)生構(gòu)建電容概念的同時，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維.

2.2.3 趣味拓展 深化電容器的認識

在學(xué)生學(xué)習完電容器的電容知識后，部分學(xué)生對電容器的了解停留在知識層面，原因是部分學(xué)生缺乏將電容器與生產(chǎn)生活聯(lián)系的經(jīng)驗.在本教具中，電磁炮作為趣味拓展物理實驗，通過將炮彈(磁鐵釘)射出直觀地說明電容器放電過程中釋放的電能可轉(zhuǎn)換成其他形式的能量被加以利用，同時，也是一個將物理知識應(yīng)用于生活實踐的具體案例.

(1)在電容器充電完成后，將單刀雙擲開關(guān)S1撥到2端.

(2)閉合開關(guān)S6，由于通電螺線管產(chǎn)生磁場，磁鐵釘受安培力的作用后飛出(注：用有一定長度的細繩綁住磁鐵釘，以制約磁鐵釘飛出的距離，避免磁鐵釘飛出后造成危險).

(3)在電路中接入不同電容大小的電容器(C1,C2,C3)，電磁炮中的磁鐵釘飛出的距離不同.即電路中接入電容越大的電容器，放電時，電磁炮中的磁鐵釘飛出的距離越遠.

同時，可引導(dǎo)學(xué)生課后查閱資料思考：(1)電磁炮的工作原理；(2)電磁炮在生產(chǎn)和軍事中的發(fā)展與應(yīng)用；(3)電容器在生活中的其他應(yīng)用.該拓展實驗的引入不僅能起到深化學(xué)生對電容器的認識，還能促進學(xué)生將理論知識與實際生活相聯(lián)系，可構(gòu)建知識間相互聯(lián)系.還可以此為啟發(fā)，促進學(xué)生開展其他內(nèi)容的科學(xué)實踐和教具設(shè)計.

3 結(jié)束語

演示實驗是物理課堂教學(xué)的重要組成部分，利用自制教具不僅能突破傳統(tǒng)電容器充放電實驗的演示局限，還能增進知識與生活實際的聯(lián)系.教具的教學(xué)作用與演示實驗的目的和演示效果密不可分，同時也與教師的觀察指引和思維啟發(fā)相互呼應(yīng)[4，5].因此，教具的設(shè)計與使用需體現(xiàn)透過實驗現(xiàn)象觀察物理本質(zhì)的思想，并與一定的教學(xué)策略結(jié)合，合理發(fā)揮自制教具的功能，達到提升課堂教學(xué)效率，不斷豐富物理教學(xué)形式的目的.