電容器充、放電實驗的可視化設(shè)計探討

徐國華

人教版高中《物理》（必修三）教材中觀察電容器充、放電實驗現(xiàn)象的缺點有：較難直觀反映電容器儲能功能；電流、電壓的變化數(shù)據(jù)記錄困難；電路漏電對實驗效果的影響較大。我們改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)，更新數(shù)據(jù)測量手段，更換新規(guī)格電容器，解決電容器漏電問題，使得電容器和電容的概念生成更加自然、科學(xué)。

一、實驗原理

電路圖如圖1所示，單刀雙擲開關(guān)S1與開關(guān)S2共同控制電容器C1充、放電；單刀雙擲開關(guān)S1與單刀雙擲開關(guān)S3共同控制電容器C2充、放電；小燈泡亮度反映電容器充、放電過程中電流大小，間接反映電容器兩端電壓大小，通電時長反映電容器儲存的電量。此實驗可用電流、電壓傳感器實時測量并記錄相關(guān)電學(xué)量。

二、實驗器材

木板2塊、T型線夾8個、XT90插頭、銅導(dǎo)線、紅黑接線柱8個、電池盒1個、單刀雙擲開關(guān)（S1、S3）4個、開關(guān)（S2）2個、小燈座（L）2個、2.5V小燈泡2個、電池盒2個、干電池4節(jié)、電容器（2.7V 1F1個、2.7V 2F1個、16V 1000μF2個），多量程電壓傳感器1個、多量程電流傳感器1個、傳感器數(shù)據(jù)采集器1個、木螺絲若干、電鋸、手電鉆、剝線器等。

三、制作過程

在木板正面繪制電路圖，后將相關(guān)元器件擺放到相應(yīng)位置，用手電鉆在相關(guān)元件下方打好接線孔，將銅導(dǎo)線固定在相關(guān)元件接線柱上，并穿過接線孔；將XT90插頭的公頭與導(dǎo)線進(jìn)行焊接，將紅線焊在正接線柱上，藍(lán)線焊在負(fù)接線柱上，將公頭連接到電路中，紅色導(dǎo)線靠近電源正極，藍(lán)色導(dǎo)線靠近電源負(fù)極，再將4個電容器分別焊接在4個母頭上（電容器的正、負(fù)極與插頭的正、負(fù)極相對應(yīng)）；在木板背面按照電路圖用T型接線器連接好電路，并用木螺絲固定好，定性分析成品如圖1所示，定量分析成品如圖2所示。

四、定性觀察電容器充、放電現(xiàn)象

實驗操作：斷開S3，閉合S2，開關(guān)S1電鍵撥到1位置。電容器C1充電，電容器C2不工作。

觀察到現(xiàn)象：燈泡亮度越來越暗，最終熄滅。

現(xiàn)象分析：實驗表明電路中電流逐漸變小，可能有兩種原因：（1）電容器是可變電阻，電阻越來越大，導(dǎo)致電流越來越小。（2）電容器是儲電容器，與電源并聯(lián)，隨著電量增加，電容器的兩端電壓越來越大，電源正極與電容器正極間電壓減小，電路電流減小。

論證思路：將開關(guān)S1撥到2位置，保持其他操作不變，燈泡亮，這個現(xiàn)象為電容器放電現(xiàn)象。此現(xiàn)象否定結(jié)論（1），支持結(jié)論（2），電容器是一種能儲存電荷的儲能裝置。

實驗表明：電容器在放電過程中通過燈泡的電流減小，電容器兩端電壓減小，電容器儲存的電量減少，電容器帶電量與電壓有關(guān)。

五、定量觀察電容器儲存的電荷量影響因素

實驗操作：在圖2中將電流傳感器串聯(lián)在接線柱5、6之間，測量電容器C1充、放電電流，電壓傳感器與接線柱7、8連接，與電容器C1并聯(lián)。斷開S3，閉合S2，開關(guān)S1撥到1位置，電容器C1充電；開關(guān)S1撥到2位置，電容器C1放電。

傳感器特點：電流從電流傳感器正接線柱（紅）流入，負(fù)接線柱流出，電流為正，反之為負(fù)；電壓傳感器正接線柱（紅）接正極，負(fù)接線柱接負(fù)極，電壓示數(shù)為正，反之為負(fù)。

觀察到現(xiàn)象：電壓和電流傳感器收集到的數(shù)據(jù)如圖3左側(cè)部分所示，電流傳感器記錄的電流逐漸減小，電壓傳感器記錄數(shù)據(jù)逐漸增大，當(dāng)電流傳感器示數(shù)接近零時，電壓傳感器的示數(shù)逐漸穩(wěn)定，趨近于電源電動勢。放電現(xiàn)象記錄的數(shù)據(jù)如圖3右側(cè)部分所示，電流傳感器記錄的數(shù)據(jù)顯示電流逐漸減小，電壓傳感器記錄的電容器兩端電壓逐漸減小。當(dāng)電流傳感器示數(shù)為零時，電壓傳感器示數(shù)為零。

實驗優(yōu)點：用傳感器記錄數(shù)據(jù)可以直觀地顯示電容器兩端電壓與電路中電流的大小及方向關(guān)系。

探究電容器儲存的電荷量與電壓的定量關(guān)系：將電容器C1和C2換成相同規(guī)格電容器（16V 1000μF），電壓傳感器連接接線柱9、10，與電容器C2并聯(lián)，開關(guān)S2閉合，開關(guān)S3撥到3位置，開關(guān)S1撥到1位置，對兩個電容器同時進(jìn)行充電，充電結(jié)束斷開S1。開關(guān)S3撥到4位置，電容器C2放電，放電時長20s左右，再將開關(guān)S3撥到3位置，電容器C1對電容器C2進(jìn)行充電，充電10s左右，傳感器實時記錄電容器兩端電壓。根據(jù)均分原理，電容器C1帶電量只有原來一半。重復(fù)上述操作，實驗結(jié)論如圖4。

實驗表明：相同電容器所帶電量與電容器的電壓成正比，即Q∝U。若將上述關(guān)系寫成等式，則電容器所帶電量與電壓關(guān)系：Q=CU（C為常量）。

六、電容概念構(gòu)建

將電容器C1換為規(guī)格2.7V 2F，C2換為規(guī)格2.7V 1F。開關(guān)S2閉合，將S3撥到3位置，將S1撥到1位置，同時充電至穩(wěn)定狀態(tài)，兩個不同規(guī)格的電容器具有相同電壓，將開關(guān)S3斷開，開關(guān)S1撥到2位置，先對電容器C1放電；電容器C1放電結(jié)束，再將開關(guān)S2斷開，開關(guān)S3撥到3位置，對電容器C2進(jìn)行放電。

實驗現(xiàn)象：比較兩次電容器相同電壓情況下放電時長，電容器C1放電過程中燈泡亮?xí)r長約26s，電容器C2放電過程中燈泡亮?xí)r長約16s，說明電容器C2儲存的電量少。

實驗表明：電容器儲存的電量與電容器的自身性質(zhì)也有關(guān)。

通過上述分析可知，不同規(guī)格電容器的常量C值不同， C值反映的是電容器自身存儲電荷本領(lǐng)大小的物理量，只與電容器自身性質(zhì)有關(guān)，與儲存電荷量以及電壓大小無關(guān)，把它稱為“電容”。

七、實驗創(chuàng)新之處

電路直觀。將電路進(jìn)行重新設(shè)計為圖1所示線路板，便于學(xué)生觀察、理解。

現(xiàn)象明顯。采用電容為1F左右的電容器進(jìn)行充、放電演示，在電路中串聯(lián)小燈泡，通過小燈泡發(fā)光的強(qiáng)度和時長分析電容器的帶電量、電壓以及說明電容器具有能量，現(xiàn)象明顯，說服力強(qiáng)。

實驗精準(zhǔn)。采用16V 1000μF大電容進(jìn)行研究電容器的電壓與電量關(guān)系，充、放電快，用傳感器采集數(shù)據(jù)，可以做到精準(zhǔn)。重新設(shè)計電路，改變電壓傳感器位置，解決電壓傳感器漏電影響。延長放電時間，減少電容器“剩電”影響。

（作者單位：江蘇省吳江高級中學(xué)）

責(zé)任編輯：王 燕