借力創(chuàng)新實(shí)驗(yàn) 活學(xué)《電容器的電容》

吳海燕

電容器是電子工業(yè)中重要元器件之一，高中學(xué)生認(rèn)識(shí)并熟悉它的工作機(jī)理很有必要。高中教材將《電容器的電容》安排在“靜電場”一章的第8節(jié)，其實(shí)還有讓學(xué)生立足電容器這一模型，進(jìn)一步鞏固靜電場相關(guān)規(guī)律認(rèn)知，以及強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)探究的目的。實(shí)際教學(xué)中，很多教師將教學(xué)重心放在“探究平行板電容器的電容”這一塊，同時(shí)厚此薄彼，弱化了其他幾個(gè)方面的教學(xué)，這是一種教學(xué)方向的迷失。

那又該如何引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容呢？筆者認(rèn)為應(yīng)該從學(xué)科特點(diǎn)出發(fā)，充分挖掘可以實(shí)驗(yàn)的教學(xué)素材，給學(xué)生提供更為直觀、形象的、可獲得直接經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)情境，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)總結(jié)和歸納規(guī)律，習(xí)得知識(shí)體驗(yàn)探究的過程，感悟物理學(xué)科素養(yǎng)，發(fā)展創(chuàng)新意識(shí)與能力。在實(shí)際教學(xué)中，筆者正是出于以上考慮，設(shè)計(jì)了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果果然很好。

1自制電容器，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)清其構(gòu)造

有關(guān)電容器的定義和結(jié)構(gòu)，教材只是做了簡單的介紹。因此教師必須開發(fā)資源，自制簡易電容器，提供學(xué)生直接而感性的認(rèn)知。

如圖1中甲圖所示，將一只盛有大半瓶鹽水的玻璃瓶放在盛有一定量鹽水的水槽中，并將充當(dāng)電極引線的銅絲a和b分別插在玻璃瓶和水槽中。另準(zhǔn)備帶有絕緣包皮的銅絲兩根，如圖乙所示將其一端繞成圓環(huán)的形狀，并包裹上一些透明膠布備用。實(shí)驗(yàn)開始之初，讓學(xué)生觀察上述裝置，并讓他們結(jié)合教材中有關(guān)電容器的說明，猜想它能否構(gòu)成電容器。教師做出適當(dāng)解釋后，開始準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，將電容器一極6與起電機(jī)的一端以及驗(yàn)電器的外殼進(jìn)行連接，并將起電機(jī)的另外一端與準(zhǔn)備好的導(dǎo)線d連接，將d另一端的小環(huán)套在玻璃瓶電極a上。搖動(dòng)起電機(jī)對該電容器充電，在這一過程中，以粘在導(dǎo)線d上的膠布為把手將導(dǎo)線從玻璃瓶上取走，停止對起電機(jī)的搖動(dòng)。教師通過膠布提起導(dǎo)線c，將其圓環(huán)一端套在a上，并將其另一端與驗(yàn)電器小球接觸，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器指針發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)；再將這一端接近電極b，在逐漸靠近的過程中，發(fā)現(xiàn)兩者之間出現(xiàn)放電火花，這兩個(gè)現(xiàn)象都說明該裝置成功地帶電并儲(chǔ)備了電能。

上述裝置取材容易，操作簡單，效果也非常明顯，能夠讓學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)到瓶中和水槽中的兩部分鹽水就是電容器概念中兩個(gè)彼此絕緣的導(dǎo)體，而電容器最基本的性質(zhì)在上述實(shí)驗(yàn)情形中也體現(xiàn)得很明顯——儲(chǔ)存電荷和能量。當(dāng)然該實(shí)驗(yàn)操作中有兩個(gè)要點(diǎn)：①對絕緣條件要求苛刻。實(shí)驗(yàn)之前，必須對玻璃瓶口周邊、驗(yàn)電器等裝置進(jìn)行干燥處理；②演示之初，不要直接將驗(yàn)電器直接連在電極a上，否則學(xué)生會(huì)將驗(yàn)電器指針偏開的原因歸咎于起電機(jī)直接讓驗(yàn)電器帶電。

實(shí)際教學(xué)中，教師還可以介紹一下萊頓瓶的基本結(jié)構(gòu)（如圖2所示），把原先玻璃瓶內(nèi)外的鹽水置換為錫箔即可。讓學(xué)生將兩個(gè)模型對比認(rèn)識(shí)，有助于他們了解電容器的結(jié)構(gòu)，也有助于他們后期規(guī)律的學(xué)習(xí)。

2引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中認(rèn)識(shí)電容器充放電過程

電容器的充放電過程在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中也有所呈現(xiàn)，但是過程還不夠直觀。因此，筆者又借助靈敏電流計(jì)設(shè)計(jì)了第二個(gè)實(shí)驗(yàn)，將充放電電流直觀地表現(xiàn)出來。

實(shí)驗(yàn)器材包括1000 μF的電容器一只，10 kΩ的電阻一個(gè)，電源選用6 V，滿偏刻度為500 μA的靈敏電流計(jì)一只。

將上述器材如圖3所示進(jìn)行電路連接。有關(guān)實(shí)驗(yàn)演示步驟如下：①將開關(guān)S接到1位置，則開始充電，引導(dǎo)學(xué)生觀察靈敏電流計(jì)在這一過程中的指針偏轉(zhuǎn)方向以及讀數(shù)變化特點(diǎn)，當(dāng)電流表讀數(shù)減小為零時(shí)，則表明充電結(jié)束，這一現(xiàn)象向?qū)W生說明了穩(wěn)定狀態(tài)下的電容器無法導(dǎo)電，相當(dāng)于斷路；②將開關(guān)S接到2位置，引導(dǎo)學(xué)生觀察靈敏電流計(jì)上指針偏轉(zhuǎn)情況，并讓學(xué)生討論此刻電流的方向以及產(chǎn)生根源，思考充電階段和放電階段的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。

上述實(shí)驗(yàn)電路將充電過程和放電過程整合在一起，讓學(xué)生對相關(guān)過程中電流特點(diǎn)有了直觀的認(rèn)識(shí)。此外放電過程中，指針的偏轉(zhuǎn)也可以設(shè)計(jì)出問題：什么能量驅(qū)動(dòng)了電流計(jì)指針的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步挑明其中的能量關(guān)系。當(dāng)然本實(shí)驗(yàn)還有改進(jìn)的空間，將放光二極管接入放電電路能更好地向?qū)W生傳遞相關(guān)信息。

3構(gòu)建實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解電容概念

電容的概念是本節(jié)課最為抽象的知識(shí)點(diǎn)，教材上以類比的方式對此進(jìn)行處理，但是如果只是停留于空洞的類比說明，學(xué)生還是只能一知半解，究其原因，還是因?yàn)殡娙萜魃想娏繜o形無質(zhì)，學(xué)生無法獲取感性認(rèn)知，因此與容器儲(chǔ)水量之間很難構(gòu)建類比的橋梁。很多教師以如圖4所示的電路，對不同時(shí)刻的電流大小進(jìn)行測量，并通過計(jì)算軟件對有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終得出了電容器的帶電量，此后還進(jìn)一步改變電容器兩端電壓，重復(fù)上述操作。相關(guān)過程相當(dāng)繁瑣。實(shí)際教學(xué)中的可行性很差。

筆者對上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，用恒流源來替代其中的電壓源，結(jié)合時(shí)間的測量，直接用Q=It來計(jì)算電容器的電量。

如圖5所示為實(shí)驗(yàn)裝置圖，虛線框即為恒流源電路，實(shí)驗(yàn)過程如下：①先引導(dǎo)學(xué)生回顧有關(guān)電流和電量的關(guān)系：電流與通電時(shí)間的乘積即為通過導(dǎo)體的電量。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)中的情境，所有電量最終都集中于電容器上，因此要測定電容器上的電量值只需測量電流和通電時(shí)間即可；②組織學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，提醒學(xué)生分工協(xié)作：安排專人分別利用秒表記錄時(shí)間和實(shí)時(shí)監(jiān)測電壓表讀數(shù)，當(dāng)電壓表讀數(shù)增大到0.5 V時(shí)，斷開開關(guān)，停止計(jì)時(shí)，并將時(shí)間進(jìn)行記錄；③接通開關(guān)，繼續(xù)對電容器充電，當(dāng)電壓增大到1V時(shí)，再次記錄下時(shí)間；④類似測量電壓為1.5 V、2 V、2.5 V等值時(shí)，對應(yīng)的充電時(shí)間；⑤運(yùn)用公式Q=h，計(jì)算出對應(yīng)不同電壓的電容器帶電量，比較電壓與電量的關(guān)系，并用Q-U圖象進(jìn)行描述；⑥更換其他規(guī)格的電容器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，按照上述步驟進(jìn)行操作。

引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總，通過圖象，學(xué)生能認(rèn)識(shí)到電量與電壓的正比關(guān)系，結(jié)合不同規(guī)格的電容器Q-U圖象斜率不同，教師可以引導(dǎo)他們總結(jié)出電容的概念。

高中物理學(xué)習(xí)中，學(xué)生認(rèn)知的構(gòu)建需要依托大量感性信息的整理和提煉。教師運(yùn)用創(chuàng)新思維，設(shè)計(jì)并開發(fā)與教學(xué)內(nèi)容相適應(yīng)的實(shí)驗(yàn)符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，也有助于我們課堂效率的提升。從教學(xué)實(shí)際效果來看，本課的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)立足于學(xué)生基礎(chǔ)和認(rèn)知習(xí)慣，在充分激起學(xué)生興趣的同時(shí)，引領(lǐng)學(xué)生在科學(xué)探究的過程進(jìn)行概念的總結(jié)和規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，讓學(xué)生充分融入教學(xué)過程當(dāng)中，有效體現(xiàn)學(xué)生樂于學(xué)習(xí)、積極探究的主體地位。