電容器充放電演示儀

童俊波

摘 要： 電容器充、放電過程是理解電容器工作的主要形式。而電容器充、放電過程在極短時間內就會完成，現象稍縱即逝，學生往往感到抽象難懂。通過增加電位器和發光二極管、石英鐘等元件，延長電容器的充放電時間，從而增加可見度。

關鍵詞： 電容器 充電 放電 電位器 發光二極管

一、地位和作用

人教版普通高中物理選修3-1《電容器的電容》中電容器充、放電實驗是一個很重要的演示實驗。電容器充電、放電的過程是電容器工作的主要形式，學生不容易理解，所以課堂中很有必要對電容器的充電、放電過程進行放慢和放大，從而使學生加深對電容器工作原理的認識和理解。為此，特制作了本套電容器充、放電演示儀。

二、實驗原型及不足之處

教材采用靈敏電流計顯示電容器充、放電現象實驗，如下圖，由于靈敏電流計量程較小，承受不了大電流，充放電剛開始時極易燒壞線圈或打彎表針，且由于充放電流時間太短，現象稍縱即逝，可見度不大。

三、實驗創新之處

方案一：改裝靈敏電流計，擴大其量程。用兩個并聯的發光二極管與電流計及電位器串接，通過發光二極管的亮暗和電流計指針偏角顯示充放電流的大??；同時可利用發光二極管的單向導通性顯示充、放電流的方向[1]。

方案二：由于石英鐘的耗電量小，且頻率及其穩定，可利用電容器充放電時產生短暫電流驅動石英鐘，能讓石英鐘走動較長一段時間，從而放慢、放大電容器充放電的現象，同時石英鐘有計時功能，可以用石英鐘走動時間的長短說明電容器容納電荷本領的大小[2]。

四、實驗器材

“10000μF50V”電解電容器一只，發光二極管兩只（紅、綠），10kΩ電位器一只，330Ω電阻一只，100Ω電阻一只，J0402型示教電表一只，石英鐘兩只，1.5V1號干電池4只，單刀雙擲開關2只，單刀開關1只，鱷魚夾3個，導線若干，紅、綠膠布少許，90cm×70cm木板一塊。

五、實驗原理及裝置說明

5.1電路圖設計如下：

5.2給靈敏電流計并聯一個430Ω的電阻，擴大其量程，同時串接10kv電位器和發光二極管，擴大回路電阻，延長電容器充放電時間；還可以利用二極管的單向導通性顯示充放電流方向。

5.3根據石英鐘耗電量小的特點，充分放大充放電時間，增大了實驗的可見度。

5.4按照5.1的電路圖，在演示板的正面相應位置打孔，安裝好各個電路元件；在演示板背面用電烙鐵把導線與電路元件焊接牢并連接好電路，用紅、綠塑料膠布充當導線貼在板的正面，顯示電路的連接情況。

六、實驗過程

6.1鱷魚夾接a（電源電壓6V），調節電位器到適當的阻值，把單刀雙擲開關S接1，閉合開關S，LED1發出最亮紅光（LED2始終不亮），電流計指針向右偏到最大位置，說明電容器正在充電，電流為順時針方向；隨著時間的推移，LED1逐漸變暗，電流計指針偏角逐漸減??；最后充電電流幾乎為零，LED1完全變暗[3]。

6.2把開關S接2，此時LED2發出最亮綠光（LED1始終不亮），電流計指針向左偏到最大位置，電流為逆時針方向，說明電容器正在進行放電。隨著時間的延續，放電電流逐漸減少，LED2逐漸變暗，電流計指針偏角逐漸減??；最后電流表指數幾乎為零，LED2完全熄滅，放電結束。說明電容器具有儲存電荷的能力。

6.3斷開S，把兩石英鐘的秒針用手撥到12點位置，鱷魚夾接b（電源電壓3V），把單刀雙擲開關S接1，開關S接3，左邊石英鐘開始走動計時，說明電容器正在充電，由于石英鐘耗電量很少，充電過程大概經過25s左右。

6.4把單刀雙擲開關S接2，然后把開關S接4，右邊石英鐘開始走動計時，說明電容器在放電，放電時間20s左右。

七、實驗效果

本實驗使學生清楚地看到了電容器充、放電的過程，還能明確充、放電的方向，使學生印象深刻，對掌握電容器的充、放電過程起到了非常好的作用。

八、自我評價

本實驗裝置結構簡單，制作方便，過程安全，形象生動，演示可見度大。本裝置可以在電容器兩端并聯10V電壓表，探究電容器充放電過程中電流與電壓的變化規律；還可以在同一電源下，使用不同容量的電容器實驗，探究電容器同一電壓下儲存電荷的能力。希望各位專家和同行對本實驗裝置進行批評指正。

參考文獻：

[1]肖芝清.用系列實驗揭示電容器里的秘密[J].教學儀器與實驗，2006（04）.

[2]季永青.巧用石英鐘觀察電容器充放電現象[J].實驗教學與儀器，2005（Z1）.

[3]張喜榮，岳寶良，尹建義，劉彥玲.教學探究——電容器放電快慢與什么因素有關[J].物理通報，2010（05）.