定性與定量探究平行板電容器影響因素的創(chuàng)新實驗設(shè)計

丁良峰

（南京師范大學(xué)蘇州實驗學(xué)校，江蘇 蘇州 215021）

科學(xué)探究是解決自然問題的一種思維方式.物理教學(xué)應(yīng)基于實驗觀察探究、構(gòu)建物理模型，借助數(shù)學(xué)工具，通過推理和論證，形成對物理知識的科學(xué)認(rèn)識，領(lǐng)悟科學(xué)的本質(zhì).通過實驗可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)觀察能力、探究能力、思維能力，提升科學(xué)素養(yǎng).為使學(xué)生能更好地探究物理知識，教師要在教學(xué)過程中優(yōu)化實驗設(shè)計，創(chuàng)新演示實驗，改善探究實驗效果，科學(xué)建構(gòu)物理概念，形成科學(xué)理解.本文以“定性與定量探究平行板電容器電容大小的影響因素”為例，介紹基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的創(chuàng)新實驗探究.

1 研究背景

人教版高中物理選修3-1第1章第8節(jié)“電容器的電容”有“研究影響平行板電容器電容大小的因素”演示實驗.常用的實驗器材（如圖1所示）是兩片圓形金屬板構(gòu)成的平行板電容器、驗電器、起電機(jī)及導(dǎo)線等.在實驗室通過起電機(jī)給電容器充電，改變兩極板之間的距離和正對面積來改變電容大小，觀察驗電器中指針偏轉(zhuǎn)的夾角來說明電容器相關(guān)的因素.這樣的演示實驗設(shè)計存在不足.

圖1

（1）它是利用靜電計指針偏角的大小來表示兩極板間的電壓大小，靈敏度不高，只能定性說明問題.

（2）電容器的兩個極板是圓形平板，難以實現(xiàn)定量改變極板間的距離及正對面積.

（3）該實驗操作在空中移動另一極板，容易抖動，致使電容大小不穩(wěn)定.

（4）該實驗是要求電容器先帶上電荷，它受空氣環(huán)境等因素影響容易漏電而影響實驗結(jié)果，且該實驗還需要感應(yīng)起電機(jī)來使平行板電容器帶電，操作起來比較麻煩.

鑒于以上的問題與不足，筆者結(jié)合勞動技術(shù)實踐，創(chuàng)新設(shè)計一款可以進(jìn)行定性與定量探究平行板電容器影響因素的實驗裝置.

2 研究設(shè)計

2.1 研究目標(biāo)

（1）實現(xiàn)定性實驗研究.可以通過移動的方式定量地改變兩極板之間的距離和正對面積進(jìn)行實驗研究.

（2）可以連接驗電器或數(shù)字電容表進(jìn)行實驗，實現(xiàn)定性研究及定量測量電容的大小.

（3）控制兩極板之間的距離d、正對面積S以及改變介質(zhì)，進(jìn)行定量探究平行板電容器的影響因素.

2.2 研究設(shè)計

定性與定量探究平行板電容器影響因素的實驗裝置主要分為定性探究區(qū)、定量探究區(qū)及控制接線區(qū)，設(shè)計圖如圖2所示.

圖2 平行板電容器探究實驗平臺

（1）定性探究區(qū)：水平移動左側(cè)的極板可以改變板間距離，上下移動右側(cè)極板可以改變正對面積，進(jìn)行定性探究電容的變化.

（2）定量探究區(qū)：分別設(shè)計兩極板之間的距離d、正對面積S以及改變介質(zhì)，進(jìn)行定量實驗.

① 兩極板面積為10 cm×40 cm，極板的間隔分別為1 cm、2 cm、3 cm、4 cm、5 cm.

② 極板間距為3 mm，不同正對面積分別為2 cm×40 cm、4 cm×40 cm、5 cm×40 cm、8 cm×40 cm、10 cm×40 cm.

③ 極板間距為1 mm，正對面積為10 cm×10 cm，介質(zhì)分別為：云母片、石蠟紙、塑料板、空氣.

2.3 材料與工具

材料：亞克力板、錫箔膠帶、船型開關(guān)、云母片、石蠟紙、導(dǎo)線、接線柱、亞克力膠.

工具：激光雕刻機(jī)、電烙鐵、注射器、數(shù)字電容表、螺絲刀、斜口鉗.

2.4 制作過程

（1）使用Lazer CAD設(shè)計，并使用激光雕刻機(jī)加工亞克力板（圖3）.

圖3

（2）按照設(shè)計要求將錫箔膠帶粘貼在亞克力板上，構(gòu)成電容器極板圖，如圖4所示.

圖4

（3）將貼有錫箔膠帶的極板固定在底座上，安裝并連接開關(guān)如圖5所示，最終完成制作.圖6為整體的實驗裝置.

圖5

圖6

本實驗裝置是一個一體化的實驗平臺.通過開關(guān)控制選擇與電容表相連的極板，從而進(jìn)行不同的實驗探究.在定性探究區(qū)域，可以通過水平和豎直移動極板進(jìn)行實驗；在定量探究區(qū)域，分別連接開關(guān)，可以控制不同間距、面積或介質(zhì)的極板進(jìn)行實驗.

3 實驗探究

科學(xué)探究可以提升學(xué)生的科學(xué)思維.在平行板電容器電容大小影響因素探究的實驗中，定性實驗可以讓學(xué)生形成初步的認(rèn)識.定量探究電容器大小與極板間距離、正對面積和不同介質(zhì)這些物理量之間關(guān)系時，需要控制變量進(jìn)行逐一探究，再經(jīng)歷分析、推理，形成科學(xué)認(rèn)識.整個實驗探究的過程中蘊(yùn)含的科學(xué)思想和科學(xué)方法揭示事物間的內(nèi)在聯(lián)系.實驗如圖7所示.

圖7

3.1 定性實驗

將數(shù)字電容表連入電路，接通定性探究開關(guān)，研究定性探究區(qū)域的兩極板之間的距離和正對面積與電容之間的關(guān)系.

（1）觀察兩極板距離與電容大小之間的關(guān)系.在水平方向移動左側(cè)極板，觀察電容表數(shù)值變化，可以觀察到隨著兩極板之間距離變大，數(shù)值由大變小.

（2）觀察兩極板正對面積與電容大小之間的關(guān)系.拉動右側(cè)極板，改變正對面積，可以觀察到隨著正對面積的減小，電容表數(shù)值由大變小.

通過水平和豎直移動極板，實現(xiàn)了對影響電容器電容大小因素的初步探究.水平移動極板時，板間距離越大，電容值越小；豎直移動極板時，兩極板正對面積越小，電容值越小.通過這些現(xiàn)象讓學(xué)生直觀了解到影響電容器大小的因素，形成概念認(rèn)知.

3.2 定量實驗

將數(shù)字電容表連入電路，定量探究兩極板之間的距離、正對面積及不同介質(zhì)與電容之間的關(guān)系.由于開關(guān)和導(dǎo)線均連入電路，在未接通開關(guān)時，導(dǎo)線和開關(guān)之間也構(gòu)成電容器，其電容值為54.1 p F.

（1）定量探究兩極板距離與電容大小之間的關(guān)系.依次接通兩極板之間距離分別為1 cm、2 cm、3 cm、4 cm、5 cm的開關(guān)，記錄電容表的讀數(shù)如表1所示.對表1中電容的實際值與兩極板之間距離的倒數(shù)1／d進(jìn)行分析，可得出兩極板之間距離與電容之間的關(guān)系，如圖8所示.

表1 兩極板之間距離與電容之間的關(guān)系

圖8 兩極板之間距離與電容之間的關(guān)系

實驗結(jié)論：電容的大小與兩極板之間距離成反比例關(guān)系，即C∝1／d.

（2）定量探究兩極板正對面積與電容大小之間的關(guān)系.依次接通兩極板之間正對面積分別為2 cm×40 cm、4 cm×40 cm、5 cm×40 cm、8 cm×40 cm、10 cm×40 cm的開關(guān)，記錄電容表的讀數(shù)如表2所示.對表2中電容的實際值與兩極板之間面積S進(jìn)行分析，可得出兩極板之間距離與電容之間的關(guān)系如圖9所示.

表2 兩極板之間正對面積與電容之間的關(guān)系

圖9 兩極板之間正對面積與電容之間的關(guān)系

實驗結(jié)論：電容的大小與兩極板之間正對面積成正比例關(guān)系，即C∝S.

（3）定量探究兩極板間不同介質(zhì)與電容大小之間的關(guān)系.依次接通兩極板間介質(zhì)分別為云母片、石蠟紙、亞克力板、空氣的開關(guān)，記錄電容表的讀數(shù)如表3所示.

表3 兩極板之間介質(zhì)與電容之間的關(guān)系

實驗結(jié)論：平行板電容器電容與電介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān).

通過以上實驗探究可以得出：電容器的大小與兩極板正對面積成正比，與兩極板之間的距離成反比，與兩極板之間的介電常數(shù)有關(guān)，即