電容器充放電現(xiàn)象與關(guān)系實(shí)驗(yàn)的定量研究

鄔夏波

(舟山市岱山中學(xué),浙江舟山 316200)

人教版普通高中物理選修3-1教材的第1章第8節(jié)的教學(xué)內(nèi)容是電容器的電容.電容器的充放電實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和電容器所帶的電荷量 Q與電容器兩極板電勢差U的關(guān)系,這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教具無法演示,其主要原因在于電容器的容量小,充放電時(shí)間太短,現(xiàn)象稍縱即逝,在指針式的演示電表中觀察不到電流和電壓的變化,實(shí)驗(yàn)效果不明顯.而對(duì)于電容器的定量研究,要解決電容器所帶電荷量 Q定量測量的問題.因此在課堂教學(xué)的過程中,對(duì)于充放電的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和電容定義式的得出只能通過抽象的理論分析,這不符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,也不利于學(xué)生知識(shí)的掌握.

數(shù)字化傳感器為實(shí)驗(yàn)的定量研究提供了測量的可能,利用電流(電壓)傳感器可以觀察電容器在充放電過程中的電流(電壓)隨時(shí)間的變化.本實(shí)驗(yàn)中改變電容器兩端的電壓不采用滑動(dòng)變阻器的分壓式而是通過改變電源的電壓,即利用改變干電池的節(jié)數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn).為了配合電流傳感器,加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的演示效果,實(shí)驗(yàn)中選用充放電時(shí)間短,充放電電流大,容量為0.1 F和0.47 F的超級(jí)電解電容器.按照充放電電路的要求,自制好演示用的充放電電路板(圖1),利用單刀雙擲開關(guān)的作用,實(shí)現(xiàn)電容器的充放電.

1 觀察電容器的充放電現(xiàn)象

1.1 實(shí)驗(yàn)過程

(1)在演示用的電路板位置1插上0.47 F的電容器,兩端并聯(lián)電壓傳感器,在位置2串聯(lián)接入電流傳感器,并將傳感器與朗威數(shù)據(jù)采集器連接,取下圖1中2節(jié)干電池,用帶有鱷魚夾的導(dǎo)線連接電池座兩端,利用1節(jié)干電池作為充電電壓.

(2)打開朗威教材通用軟件,點(diǎn)擊組合圖線功能,添加“I-t”和“U-t”兩條圖線,同時(shí)記錄下電流和電壓隨時(shí)間的變化規(guī)律.

(3)點(diǎn)擊“開始”.將單刀雙擲開關(guān)撥到下面,對(duì)電容器充電,充電結(jié)束后再將開關(guān)撥到上面,電容器開始放電,得到圖線(圖2).

圖2

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)電容器充電過程中,電流立刻增大,然后逐漸減小到零;電容器極板電壓逐漸增大,充電結(jié)束后電壓穩(wěn)定為電源電壓.

(2)電容器放電過程中,電流立刻增大,然后逐漸減小到零;電容器極板電壓逐漸減小,放電結(jié)束后電壓減小到零.

2 定量研究C=Q關(guān)系U

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

(1)在電路板位置1插上0.47 F的電容器,兩端并聯(lián)電壓傳感器測充電結(jié)束后電容器兩端的電壓值 U可直接讀出,在位置2串聯(lián)接入電流傳感器實(shí)時(shí)測量充放電過程中電流的變化規(guī)律,將傳感器與朗威數(shù)據(jù)采集器連接.

(2)打開教材通用軟件,點(diǎn)擊組合圖線功能,添加“I-t”圖線.分別利用1節(jié)干電池、2節(jié)干電池、3節(jié)干電池作為電源電壓,取下電池后用帶有鱷魚夾的導(dǎo)線連接電池座兩端.

圖3

(3)點(diǎn)擊“開始”.控制單刀雙擲開關(guān)對(duì)電容器進(jìn)行充放電,結(jié)束后得到圖線(圖3).利用選擇工具,選擇充電區(qū)域,利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)“其他處理”按鈕中的“積分”功能,得到圖線與時(shí)間軸所圍“面積”(圖3),該面積即為電容器充電結(jié)束時(shí)的帶電荷量 Q1.用相同方法選擇放電區(qū)域,得到放電電荷量 Q2.圖3顯示的是電源為3節(jié)干電池下獲得電容器充放電圖線,顯示的積分值為充電時(shí)圖線所圍的“面積”.

(4)在位置1換用另一0.1 F的電容器,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過程.實(shí)驗(yàn)中把測得的數(shù)據(jù)記錄下來,得到表1、表2.

表1

表2

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)電解電容器C的標(biāo)稱值與實(shí)際的C值有一定的差距,一般的電解電容允許有±20%的誤差.

(2)電容器在充放電過程中,充電電荷量Q1略大于放電電荷量 Q2,原因可能是電容器在放電過程中存在漏電.從數(shù)據(jù)上分析,此種電容器的漏電電流非常小,當(dāng)充電電壓越高,其漏電電量也越大.

(3)同一電容器充電電量Q1與充電電壓 U的比值不變,即為電容器的電容C.

(4)相同電壓下,電容器的電容C越大,其帶電荷量也就越多.至此通過定量的測量,充分說明了電容器的電容C為電容器儲(chǔ)存電荷本領(lǐng)的物理量.

3 實(shí)驗(yàn)的分析與思考

利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中電容測量的這一難題,也為解決此類問題提供了思路,拓展了高中物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的新途徑.把數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué),提高了物理實(shí)驗(yàn)效果和課堂教學(xué)效率,體現(xiàn)了物理教學(xué)的時(shí)代特征.利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué),使學(xué)生體驗(yàn)了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)情景,增強(qiáng)了學(xué)生探究科學(xué)問題的好奇心和動(dòng)力,有利于物理實(shí)驗(yàn)情感的培養(yǎng)和學(xué)生知識(shí)面的拓展. (收稿日期:2010-01-18)