自制多功能電容器充放電探究儀①

王修權(quán)

(甘肅省永昌縣第一高級中學(xué)，甘肅 金昌 737200)

“電容器的電容”教學(xué)中的演示實(shí)驗(yàn)主要展示電容器的充、放電過程，是學(xué)生了解電容器的重要途徑與載體。根據(jù)教科書中的電容器充電、放電示意圖(圖1)設(shè)計探究性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對電容器的認(rèn)識更加具體與豐富，在教學(xué)中利用電容器、發(fā)光二極管、石英鐘、開關(guān)等元件自制教具，用以演示與電容器有關(guān)的實(shí)驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn)探究幫助學(xué)生建構(gòu)電容的概念。

圖1

1 制作材料與電路設(shè)計

制作材料：電源、電解電容器3只、發(fā)光二極管2只、石英鐘、開關(guān)、導(dǎo)線若干。

電路設(shè)計：如圖2所示,E1、E2、E3的電動勢分別是3V、4.5V、6V，K是單刀雙擲開關(guān)，D1、D2是黃色發(fā)光二極管和綠色發(fā)光二極管，電解電容器C1、C2、C3的規(guī)格分別是：“1000μF 45V”“1000μF 35V”“6.8μF 45V”，K1、K2、K3是對應(yīng)電容器的控制開關(guān)，石英鐘與相應(yīng)二極管和電容器構(gòu)成回路，圖3為實(shí)物電路。

圖2

圖3

2 探究實(shí)驗(yàn)過程

2.1 探究充電電流的方向

(1) 實(shí)驗(yàn)操作

閉合開關(guān)K1，接通6V電源，將單刀雙擲開關(guān)K置于4。

(2) 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

黃色二極管D1發(fā)光，并逐漸變暗直至熄滅。

(3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

回路中有電流且逐漸減小，說明電容器C1正在充電。

2.2 探究放電電流的方向

(1) 實(shí)驗(yàn)操作

閉合開關(guān)K1，斷開電源，將單刀雙擲開關(guān)置于5。

(2) 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

綠色二極管D2發(fā)光并逐漸變暗直至熄滅，石英鐘的秒針轉(zhuǎn)過幾個小格。

(3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

回路中有電流且逐漸減小，說明電容器C1正在放電。

2.3 定性探究電容器充電量與電壓的關(guān)系

(1) 實(shí)驗(yàn)操作

閉合開關(guān)K1，接通6V電源，將單刀雙擲開關(guān)置于4，C1充電結(jié)束后，將單刀雙擲開關(guān)置于5，讓其放電，實(shí)驗(yàn)中注意觀察兩個二極管發(fā)光的亮度、發(fā)光時間、石英鐘秒針的轉(zhuǎn)動格數(shù)。重復(fù)上述步驟，依次將電源接至4.5V和3V,比較不同電源下的二極管發(fā)光的亮度、發(fā)光時間、石英鐘秒針的轉(zhuǎn)動格數(shù)。

(2) 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

電源電壓越小，二極管的發(fā)光亮度越弱，發(fā)光時間變短，石英鐘秒針的轉(zhuǎn)動格數(shù)變少，接3V電源時，秒針幾乎不轉(zhuǎn)動。

(3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

對于同一個電容器，充電電量與充電電壓有關(guān)，充電電壓越大，充電量越多，反之則越少。

2.4 定性探究同一電壓下不同電容器的充電量

(1) 實(shí)驗(yàn)操作

按照2.3中的探究電容器C1充電量與電壓的步驟，依次將電容器C1、C2、C3用6V電源充電后，讓其放電，比較不同電容器在利用同一電源充電情況下的二極管的發(fā)光亮度、發(fā)光時間及石英鐘秒針的轉(zhuǎn)動格數(shù)。

(2) 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

用C1、C2時二極管的發(fā)光亮度和發(fā)光時間及石英鐘秒針的轉(zhuǎn)動格數(shù)基本相同，與C1、C2相比，用C3時二極管的發(fā)光亮度和發(fā)光時間要小得多，石英鐘秒針不轉(zhuǎn)動。

(3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

表明電容器的充電量不僅與充電電壓有關(guān)，還與電容器本身有關(guān)。

2.5 定量探究電容器帶電量與電壓之間的關(guān)系

(1) 實(shí)驗(yàn)操作

將電容器C1用6V電源充電后，用數(shù)字萬用表的電壓擋測出電壓；再取一只與電容器C1完全相同的電容器C4，將C4的兩極與C1兩極接觸后分開，用數(shù)字萬用表的電壓擋再測出C1的電壓；將C4的兩極用導(dǎo)線接觸后讓其完全放電，再將C4的兩極與C1兩極接觸后分開，用數(shù)字萬用表的電壓擋再測出C1的電壓。

(2) 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

當(dāng)電容器電量減半時，電容器兩極間的電壓也減半；當(dāng)電容器電量減為四分之一時，電容器兩極間的電壓也減為四分之一；當(dāng)電容器電量減為八分之一時，電容器兩極間的電壓也減為八分之一。

(3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

電容器的帶電量與電容器兩極間的電壓成正比。

4 創(chuàng)新之處

本教具的創(chuàng)新之處為：(1) 現(xiàn)象明顯，操作簡單；(2) 本教具中的電源用4節(jié)干電池即可，輕巧易搬動；(3) 更換維修簡單方便。本教具中二極管的接線采用插孔式接線方式,因此,更換二極管非常方便。