一種多功能電容器演示實驗板

吳俊軍 王嘉瑋

(南昌市立德朝陽中學 江西 南昌 330009)

1 引言

在高中物理電容器的教學中，筆者設計并制作了一個多功能電容實驗演示板．該板可貼于黑板上，通過插入便攜式電容器、小燈泡以及發(fā)光二極管等不同插件，實現(xiàn)不同功能，來演示不同的實驗，如：電容器充放電過程中電流流向、同一電容器帶電荷量與電勢差的關系、同一電壓下帶電荷量與不同電容的關系以及粗略定量探究帶電荷量與電勢差關系等實驗，極大地方便了課堂教學．

2 裝置介紹

2.1 多功能演示板

多功能演示板如圖1所示.

圖1 多功能演示板

2.2 元器件模塊

元器件模塊如圖2～4所示.

圖2 電容器模塊

圖3 小燈泡模塊

圖4 發(fā)光二極管模塊

3 演示實驗

3.1 演示電容器充放電過程中電流的流向

我們制作的多功能演示板，其特點是利用拔插安裝有不同元器件的模塊，來實現(xiàn)完成多種演示實驗的目的.

采用以下連接方式，可用來演示電容器充放電過程中電流的流向，裝置圖如圖5所示，操作步驟如下：

(1)如圖連接電路，S1置于“3 V”；

(2)將S2置于“充電”的同時，觀察D1模塊中發(fā)光二極管的發(fā)光情況(是紅發(fā)光二極管亮還是黃發(fā)光二極管亮)；

(3)將S2置于“放電”的同時，觀察D2模塊中發(fā)光二極管的發(fā)光情況(是紅發(fā)光二極管亮還是黃發(fā)光二極管亮)；

(4)根據(jù)發(fā)光二極管的特性可判斷出電流流向．

圖5 電容器充放電過程中電流流向的演示

3.2 演示同一電容器帶電荷量與電勢差的關系

通過改變S1的接通方式來改變電容器的電勢差，觀察電容器充放電時兩燈泡的亮度及發(fā)光時間來定性判斷電容器帶電荷量的多少．

操作步驟如下：

(1)如圖6所示連接電路，插入電容器模塊，保持電容器不變；

(2)S1置于“4.5 V”，再將S2置于“充電”，觀察L1的亮度及發(fā)光時間，將S2置于“放電”，觀察L2的亮度及發(fā)光時間；

(3)S1置于“3.0 V”，重復步驟(2)．

注意：S1先置于“4.5 V”，后置于“3.0 V”的目的是讓燈泡在開關置于“3.0 V”時幾乎看不出亮度，與燈泡在“4.5 V”時較亮的狀態(tài)有強烈對比，從而思考帶電荷量可能還與電容器有關，以引出進行下一個實驗．

圖6 同一電容器帶電荷量與電勢差的關系

3.3 演示同一電壓下帶電荷量與電容器的關系

裝置圖同圖6，本實驗接“實驗2”，具體如下：

(1)插入小電容C1；

(2)S1置于“3.0 V”；

(3)S2置于“充電”，觀察L1燈泡亮度及發(fā)光時間，如不好觀察，可再次將S2置于“放電”，觀察L2燈泡亮度及發(fā)光時間；

(4)換大電容C2，重復步驟(2)、(3)．

3.4 粗略定量探究同一電容器帶電荷量與電勢差的關系

裝置示意圖如圖7所示，實驗操作步驟如下：

(1)按如圖所示連接好電路，閉合S1；

(2)可調(diào)穩(wěn)壓源調(diào)至“1.5 V”后，將S2置于“充電”；

(3)將時鐘秒針撥至“12”，充電完成后，將S2置于“放電”，秒針開始轉(zhuǎn)動，記錄秒針所走格數(shù)；

(4)將電源電壓分別調(diào)至“2 V”“2.5 V”“3.0 V”“3.5 V”，重復步驟(2)、(3)．

圖7 定量探究同一電容器帶電荷量與電勢差的關系

4 教具的特點與創(chuàng)新

(1)本教具中元器件采用拔插式，可實現(xiàn)“一板多用”，通過更換不同元器件來演示多組實驗．

(2)演示板背面粘有軟磁貼，可吸附于黑板上，教師操作方便且可視范圍廣．

(3)實驗利用發(fā)光二極管的單向?qū)щ娞匦?，采用并?lián)發(fā)光二極管的方式來演示電容器充放電過程中電流流向，與理論講解相輔相成．

(4)實驗中利用電子石英鐘低功耗(1.5 V，100 μA)的特點，用電容器放電時的電流即可驅(qū)動電子時鐘，且充分利用電子時鐘的秒針跳動來大致表征電荷量的多少，為減小誤差，實際操作中可串聯(lián)一個電阻來增加放電時間．