恒流電源在電容定義教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：現(xiàn)行的人教版高中《物理·選修3-1》對(duì)電容作了如下定義：電容器所帶的電荷量Q與電容器兩極板間的電勢(shì)差U的比值，叫做電容器的電容。本文設(shè)計(jì)了一種恒流電源為電容器充電，在充電過(guò)程中監(jiān)控電流大小以計(jì)算電容器充電量，利用電壓表測(cè)量電容器兩端電壓，最后分析充電量和電壓數(shù)據(jù)，從而得到電容的定義。

關(guān)鍵詞：恒流電源;電容定義;定量分析

電容器是社會(huì)生活中極為常見(jiàn)的電子元件，盡管它的種類和形式繁多，但各種電容器的工作原理都是相同的?，F(xiàn)行的人教版高中《物理·選修3-1》第一章《靜電場(chǎng)》對(duì)電容作了如下定義：電容器所帶的電荷量Q與電容器兩極板間的電勢(shì)差U的比值，叫做電容器的電容。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，教師大多把電容器能夠容納電荷的多少，形象地類比容器裝水，以此分析電容器的充電、放電與容器的儲(chǔ)水放水的聯(lián)系，但是學(xué)生依舊對(duì)電容器的物理模型與工作機(jī)制認(rèn)識(shí)模糊。

為使學(xué)生能夠深刻地理解電容的概念，本文介紹了一種可以進(jìn)行定量分析的演示教具，學(xué)生可以從邏輯上更好地接受電容定義的描述。

一、儀器電路圖

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1示，虛線框內(nèi)是由9V方電池、電位器R1、三極管、發(fā)光二極管、定值電阻R2構(gòu)成的恒流電源電路，電容器是待測(cè)的，微電流傳感器用于監(jiān)測(cè)充電電流，電壓傳感器用于測(cè)量電容器的電壓，開(kāi)關(guān)用于控制電容器充電。調(diào)節(jié)R1可得到不同的恒定電流，R2起限流作用，防止發(fā)光二極管燒毀。

二、實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)原理是根據(jù)Q=It，只要測(cè)出充電電流的大小和充電的時(shí)間，即可得出電容器所帶的電量Q，再通過(guò)電壓表測(cè)量電容器充電后的電壓U，通過(guò)觀察Q與U的比值說(shuō)明電容器所帶電量與電容器兩極間的電勢(shì)差成正比。本教具可以演示的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括電容器所帶的電荷量與電容器兩極間的電勢(shì)差成正比，其比值是一個(gè)常量。

三、教具制作方法

材料準(zhǔn)備：木板一塊，微電流傳感器，電壓傳感器，9V電池一個(gè)，100kΩ電位器一個(gè)，220Ω電阻一個(gè)，綠光LED一只，三極管一只（s9012），電容器兩只，船形開(kāi)關(guān)一只，香蕉插頭兩對(duì)，木盒一個(gè)。用軟件在電腦上畫(huà)好電路圖，然后用激光雕刻機(jī)將電路圖刻到木板上，做成教具的面板。

將元件安裝到面板上的相應(yīng)位置，注意發(fā)光二極管的正負(fù)。用導(dǎo)線將各元件按照電路圖的連接關(guān)系連接起來(lái)，各個(gè)連接點(diǎn)也用用熱熔膠固定，以防松脫。裝上電池，接入待測(cè)電容器，測(cè)試充電電流是否可以調(diào)節(jié)，電容器電壓是否可以測(cè)量。測(cè)量完成后，將面板放入木盒中，完成安裝?。

四、使用方法

1.調(diào)節(jié)充電電流：將待測(cè)電容器接入電路板，閉合開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)電位器R1，使充電電流達(dá)到100μA。

2.電容器放電：開(kāi)關(guān)保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)，將待測(cè)電容器兩極短路使其充分放電，然后再接入電路中。

3.測(cè)量數(shù)據(jù)：接入電壓傳感器，設(shè)置電壓傳感器采樣時(shí)間為10秒，即閉合開(kāi)關(guān)后每10秒鐘記錄一次電壓值。

4.將測(cè)量的數(shù)據(jù)記錄到表格中。

更換另一個(gè)電容器重復(fù)上述步驟，分析數(shù)據(jù)，總結(jié)結(jié)論。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)上述操作，我們可以總結(jié)以下結(jié)論：

在誤差允許的范圍內(nèi)，電容器所帶的電荷量與電容器兩極間的電勢(shì)差成正比，其比值是一個(gè)常量。

對(duì)于不同的電容器，這個(gè)比值不同。

六、總結(jié)

諸多電容器的演示實(shí)驗(yàn)中僅對(duì)電容器做了定性分析，本實(shí)驗(yàn)可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)電容器進(jìn)行定量分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接得出電容器的電容量，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程。本教具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、取材容易，操作方便，采用電流和電壓傳感器，采集數(shù)據(jù)方便準(zhǔn)確，能讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)的方法學(xué)習(xí)電容的概念，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能和科學(xué)精神。

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作者簡(jiǎn)介：姓名：楊杰（1984-），性別：男，民族：漢族，籍貫：廣西桂平，學(xué)歷：本科，學(xué)士學(xué)位，職稱：實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：物理學(xué)