“電容器的電容”實驗教學設計改進*

孫梅芳

(蚌埠市第十二中學 安徽 蚌埠 233010)

普通高中實驗教科書(人教版)《物理·選修3-1》第一章第8節“電容器的電容”是“靜電場”一章中很重要的一節，學好這一節可以為后續學習“帶電粒子在電場中的運動”打下堅實的基礎.電容器又是一種重要的電學元件，有著廣泛的應用，但學生對電容器并不熟悉.借此，本節課的實驗教學尤為關鍵，下面談一談關于這節課的實驗教學設計改進.

1 設計實驗一 ——檢驗電容器能夠儲存電能

顧名思義電容器是一種能夠儲存電能的儀器，為了增強學生對這一功能的感性認識，有必要設計實驗加以驗證.常規實驗常用電池組或者學生電源對電容器進行充電,充電電路中連接一個小燈泡,通過小燈泡的亮滅感知充電過程中電路中電流的變化,充電完畢,燈泡熄滅,電流消失.放電過程,把電容器和小燈泡串聯,通過觀察小燈泡的“閃亮”,感知電容器儲存了電能.但放電過程十分短暫,學生如果稍不留神就會錯失觀察良機.怎樣才能讓放電時間較長久?一方面可以為學生提供較長的觀察時間，另一方面可以充分驗證電容器確實能夠儲存電能.

為此筆者利用實驗室的廢舊材料自制了一件“電容儲能演示器”.此實驗取材容易，操作簡單，現象十分明顯.

(1)材料準備

電阻1～3 K/1 W(2只)，電容器 1 000～3 300 μF/25 V，高亮度紅色發光二極管LED(2只)，直流電源6 V，單刀雙擲開關，電路板，導線等.

(2)電路設計

電路圖，如圖1(a)所示；示教電路板,如圖1(b)所示.

圖1

(3)實驗方法

按下開關S至a時，6 V電源E將LED1點亮，電源E同時迅速對電容器C充電至6 V，斷開開關S后，LED1并不熄滅，因為電容器C上儲存了電能仍然可維持LED1繼續點亮約幾十秒鐘，實驗現象非常明顯，這樣充分證明了電容器中確實儲存了電能.按下開關S至b時，6 V電源E將LED2點亮，但此時沒有對電容器充電，斷開開關S后，LED2很快熄滅，這和上述實驗形成鮮明對比.

2 設計實驗二 ——觀察電容器充電 放電電流和電壓變化

電容器的工作過程就是不斷充電和放電，為了增強學生對這一過程的感性認識，常規實驗常采用如下電路[如圖2(a)所示].S接a時電源E對電容器充電，電流計指針偏轉；S接b時電容器放電，電流計指針反偏.但充電和放電時電流計指針擺動完成時間極短，很難把握充、放電電流的變化情況，且要同時觀察電壓表的變化更是困難.怎樣才能讓學生對電容器充放電過程有深刻認識呢？為此我們采用DIS實驗系統測繪出電容器充放電過程電流i和電壓u曲線圖，較好解決了這一難題.

(1)材料準備

電容器1 000 μF/35V，電阻2 kΩ，直流電源8 V，單刀雙擲開關，計算機，數據采集器，電壓傳感器，電流傳感器，電路板，導線等.

(2)電路設計

電路圖，如圖2(b)所示.

圖2

(3)實驗方法

按圖2(b)連接實驗電路，將電壓傳感器、電流傳感器分別接入數據采集器，并將數據采集器接入電腦.進入DIS實驗系統，打開專用軟件，對電壓傳感器和電流傳感器校零；新建實驗，設置圖3中左圖為i-t圖像，右圖為u-t圖像；選擇“采集時間”為1 min，“采集間隔”為100 ms；將開關S接a對電容器充電，然后把開關S接b電容器放電，得到電容器充電和放電過程電流和電壓隨時間變化關系圖線(如圖3).左圖：電流圖像，充電時和放電時各產生脈沖電流，方向相反；右圖：電壓圖像，充電時電壓升高，放電時電壓降低.

圖3

3 設計實驗三 ——觀察電容器通過不同電阻的放電情況 理解電容概念

電容器是一個形象化的實物，而其電容是一個十分抽象的概念.由于電容器放電時間極短，常規實驗很難做出電容器通過電阻放電的i-t圖像，更不可能進一步分析圖像的意義，造成學生對電容概念的理解十分模糊.為此，我們采用DIS實驗系統測繪出電容器通過不同電阻的放電i-t曲線圖，較好解決了這一難題.

(1)材料準備

電容器 1 000～3 300 μF/25V，電阻(3 kΩ，1 kΩ，0.5 kΩ)，電流傳感器，學生電源(直流0～20V可調)，單刀雙擲開關，計算機，數據采集器，電路板，導線等.

(2)電路設計

電路圖，如圖4所示.

圖4

(3)實驗方法

圖5

綜上所述，如能做好以上3個實驗，定能突破本節課學生學習的難點，會使學生對電容器的認識更加具體、更加豐富，從而為后續學習打下堅實基礎.