以實驗探究為主線促進教學目標落實
——記“電容器的電容”一節公開課

李紅偉

(江西省全南中學 江西 贛州 341800)(收稿日期：2016-05-22)

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以實驗探究為主線促進教學目標落實
——記“電容器的電容”一節公開課

李紅偉

(江西省全南中學 江西 贛州 341800)(收稿日期：2016-05-22)

以“電容器的電容”公開課為例，談談如何以實驗探究為主線設計教學過程，從而達到促進教學目標有效落實的目的．

實驗探究 教學目標 有效性

物理學是一門以實驗為基礎的科學．在中學物理教學中，教師要針對學生的疑難與困惑，想方設法構思實驗展示方式，還物理學科本來面目，突出重點，突破難點，幫助學生深刻理解物理規律的本質，從而提高物理課堂教學的有效性．下面以“電容器的電容”公開課為例，談談如何以實驗探究為課堂教學主線，從而達到促進教學目標落實的目的．

“電容器的電容”一節是對前面所學靜電學知識的綜合應用，也是為后面學習帶電粒子在勻強電場的運動等內容打下基礎，因此本節在本章起到承上啟下的作用．電容概念的建立、決定平行板電容器電容大小的因素是本節的教學重點，電容概念的理解及電容器的充放電過程是本節的教學難點．

片段一：引入課題,探究電容器儲存電荷的特性

師：圖1(a)是一臺起電機，圖1(b)是兩塊裝修吊頂用的鋁扣板．將起電機的兩放電小球分別與兩鋁板相連，轉動起電機手柄，請同學們觀察鋁板間懸掛的小絨球有什么現象發生？現象說明了什么？

圖1

生：小絨球會擺動，因帶電體有吸引輕小物體的特性，說明鋁板帶了電．

師：回答得非常好，轉動起電機手柄，圓盤鋁片與電刷銅絲摩擦，使兩放電小球帶上異號電荷．

師：這是家庭用的節能燈，老師現在將鋁板與起電機放電小球連接斷開，把節能燈與兩鋁板連接，同學們注意觀察有什么現象發生？現象說明什么問題？

生：節能燈閃亮一下，說明有電流流過節能燈，有電流就必須有電源，兩塊鋁板相當于“電源”．

師：回答得很好，這兩塊鋁板實際就構成了一個最簡單的電容器，上面實驗說明了電容器具有儲存電荷的特性．

評析：用取材簡單方便的兩塊鋁扣板制作成一個電容器，讓學生認識到電容器的結構是如此簡單，電容器的制作原來如此容易．帶電體能吸引輕小物體，用輕小物體來證明電容器帶電；接通節能燈使燈閃亮了一下，進一步證實電容器能夠儲存電荷，吸引了學生注意力，激發了學生的求知欲．實驗設計充分考慮到了學生認識發展水平，體現了創新意識及創新思維，彰顯了“從生活走向科學，從科學走向生活”的現代教育理念．

片段二：探究電容器的充放電過程

師：如圖2所示，這是一塊演示板，主要由電源、電容器、2只發光二極管、單刀雙擲開關組成．當電流從發光二極管正極流入時會發光，反之不發光．將電路連好，注意觀察，當單刀雙擲開關撥接至“1”位置，你們看到了什么現象？現象說明了什么？

生：發光二極管b不亮，a變亮后逐漸變暗，最后熄滅．現象說明充電電流方向為順時針方向，電流逐漸減小至零．

師：現在將單刀雙擲開關撥接至“2”位置，觀察到什么現象？現象說明了什么問題？

生：發光二極管a不亮，b變亮后逐漸變暗，最后熄滅．現象說明電容器放電電流方向為逆時針方向，電流逐漸減小至零．

圖2 電容器充放電演示板

評析：電容器的充放電過程是電容器工作的主要形式，也是本節教學難點之一．教材對電容器的充放電過程敘述比較簡單，加上內容抽象，電荷的微觀運動無法演示，學生接受起來顯得非常困難．為解決這個問題，實驗通過兩個發光二極管，讓學生直觀地感受到電容器充放電電流的方向及電流大小變化情況，使學生對電容器的認識更具體，更豐富．

片段三：探究電容器儲存電荷量與電勢差關系

師：電容器充電后兩極板帶有電荷，同時存在電勢差．電容器儲存的電荷量與電勢差之間有何關系，我們是否可以設計實驗來探究這個關系？

生：可以．只要測量出兩極板間的電勢差和電荷量，分析數據就可以得出電容器電荷量與電勢差之間的關系．

師：怎樣測量兩極板間的電勢差，極板所帶的電荷量呢？

生：電勢差可以用電壓表測量，但測量電荷量……

師：對，電勢差可以用電壓表測量，我們這里實驗可以用數字萬用表中的電壓擋進行測量，但電荷量大小要直接測量是比較困難的，(老師稍稍停頓片刻)，我們能否用其他方法來解決這個問題．法國物理學家庫侖在研究電荷之間相互作用大小時，同樣碰到了電荷量不易測量的問題，他是怎樣解決這個問題的？

生：庫侖是利用兩個完全相同的導體小球，一個帶電，一個不帶電，兩球相互接觸后，兩小球所帶電荷量相等．

師：對，庫侖利用“二分法”解決了這個難題．以此類推，兩個完全相同的電容器，一個帶電，一個不帶電，讓它們相互接觸后，兩電容器所帶電荷量相等．

師：為使實驗操作更方便，現象更直觀，老師在每小組桌面上都準備了一塊演示板，板上5個電容器是相同的．同學們按如圖3所示連接電路進行實驗，探究電容器儲存電荷量與電勢差關系，記錄數據填入表1中．(學生進行實驗)

圖3 探究電容器儲存電荷量與電壓關系電路

電容器C1C2C3C4電荷量電壓

師：各組同學都已基本完成了實驗，下面請第2小組同學推薦一名同學來敘述一下你們的實驗操作過程？

師：非常好，那么你們從記錄的實驗數據進行分析，可以得出什么結論？

生：Q與U的比值為一個常數．

評析：教學過程中推導得出電容定義式的是本節的重點，也是難點．以往教學設計大多是類比蓄水池的方法告訴學生電容器所帶電荷量Q與電壓U成正比；或者通過放電產生火花強弱、小燈泡的亮度情況等來定性說明電容器儲存電荷量的多少，不足以得出電荷量Q與電壓U成正比的結論；同時由于推理的嚴謹性問題，必會擾亂學生對電容概念的理解．本實驗設計巧妙地利用“庫侖二分法”使電容器電荷量這個很難測量的物理量問題得到解決，實現了定量地進行探究電容器儲存電荷量與電勢差關系，實驗操作簡單易行，科學嚴謹，效果明顯，學生容易理解，充分達到了突破教學難點的作用．

片段四：探究不同電容器的電容大小

師：剛才利用“庫侖二分法”解決了電容器電荷量這個較難測量的物理量問題，實際上我們可以使用電子鐘來半定量測出電容器放電電荷量的大小．讓電容器放電電流驅動石英鐘指針轉動，指針轉動的格數對應是電流驅動時間，通過格數的多少可以半定量地反映電容器儲存電荷量的多少．

師：按如圖4所示，將演示板連接好電路，將單刀雙擲開關撥向“1”位置，S1和S2閉合，則電源同時對C1與C2兩電容器充電，請問充電過程中兩電容器中的哪個物理量相同？

生：兩極板電勢差相同．

圖4 探究電容器電容大小的電路

師：非常正確．現在斷開S2，將單刀雙擲開關撥向“2”位置，電容器C1通過石英鐘進行放電；斷開S1，閉合S2，電容器C2通過石英鐘進行放電．分別記錄指針轉動的格數填入表2中．(邊說邊演示，學生記錄數據)

表2 記錄指針轉動格數

師：分析觀察到的實驗數據．可以得出什么結論？

生：不同電容器充電電壓相同，但放電時石英鐘指針轉動的格數一般不同；

說明不同電容器儲存電荷的本領一般不同，即電容一般不同．

評析：實驗設計運用控制變量法，對不同電容器在相同電壓，儲存電荷量的多少進行半定量探究，得出不同電容器電容一般不同的結論，使電容這一抽象概念變得具體直觀，學生易于理解和接受，進一步加深了學生對教學難點電容概念的理解，學生的抽象思維能力和創新能力也得到了培養和提高．

片段五：探究決定平行板電容器電容大小的因素

生：不能，因為電容器電容大小是由電容器本身所決定．

師：電容器電容與極板兩端電壓和所帶電荷量無關，是什么因素決定電容器電容大小呢？接下來，我們以平行板電容器為例進行研究，大家可以根據平行板電容器結構猜想一下決定平行板電容器的因素有哪些？

生：兩極板的距離，正對面積，極板間的介質材料……

師：我們現在要探究平行板電容器電容大小與以上猜想的多個因素之間的關系時，應采用什么實驗方法？

生：控制變量法．

師：對，我們可以用控制變量法來探究決定平行板電容器電容大小的因素．在桌面上有兩塊用鋁扣板做成平行板電容器、數字電容表等儀器(如圖5所示)和陶瓷片、玻璃板等電介質．

圖5 探究影響平行板電容器電容的因素

請同學們設計方案完成以下實驗：

(1)兩極板正對面積S不變，距離d變化；

(2)兩極板距離d不變，正對面積S變化；

(3)兩極板正對面積S、距離d均不變，插入電介質．

學生將實驗所得有關數據、結論填入表3中．(學生實驗)

師：從實驗結果分析，可以得出什么結論？

生：當兩鋁板距離減小，電容表測出電容器電容的數值變大；當兩極板正對面積減小，電容值變小；在兩極板之間插入電介質，電容值變大．

表3 實驗數據

評析：決定平行板電容器電容大小的因素是本節教學內容的又一重點．課本給出的演示實驗是間接推導電容與各種因素的關系，這個實驗不直觀，推導能力要求較強，難于讓學生形成深刻的印象，不符合高中學生的認識水平與邏輯發展水平；同時這個演示實驗所花時間較長，容易受天氣等因素影響導致實驗不成功；且只能定性得出結論．而本實驗設計應用新儀器數字電容表直接測量平行板電容器電容，對電容大小決定因素進行定量研究，不受天氣影響，操作簡單，現象明顯，學生容易接受理解．

片段六：測量人體電容器電容大小，結束新課

師：剛才探究了決定平行板電容器電容大小的因素，實際上相互絕緣的任何兩導體都能構成電容器．下面我們一起來探究一種特殊電容器——“人體電容器”電容的大小．

(1)20位同學手拉手分兩排組成一電容器，用數字電容表測量電容大小；

(2)減小兩排學生間的距離，測量電容大小；

(3)減少兩排學生人數，測量電容大小．

圖6 測量人體電容器電量大小的示意圖

學生將實驗所得有關數據、結論填入表4中．

師：同學們從實驗結果分析，可以得出什么結論？

生：增大兩排學生間的距離，數字電容表測量出“人體電容器”的電容變小；減小兩排學生間的距離，電容變大；減少兩排學生人數，電容變小．

表4 實驗數據和結論

評析：本實驗設計通過兩排學生間距的變化，人數的變化，加深了對平行板電容器的電容大小決定因素的理解；同時通過測量“人體電容器”電容，讓學生感受電容器電容存在的普遍性，激發了學生學習興趣，課堂教學在結束時達到高潮，學生課后回味無窮．關注生活，從生活中挖掘物理教學素材，以實驗的形式呈現給學生，讓學生感受到物理是有用的，學習物理是有現實意義的．

本節公開課以實驗探究為主線，6個教學片段將整堂課串接在一起，可以說思路清晰，環環相扣，即突出了教學的重點，又突破了教學的難點，學生在學習中體驗探究的過程，在探究中獲得了知識、培養了能力，從而最終達成本節課教學目標的有效落實．

1 邢紅軍.高中物理高端備課.北京：中國科學技術出版社，2014.72～76

2 王永元.王永元的中學物理教學主張.北京：中國輕工業出版社，2015.139～161

3 李紅偉.創新實驗設計促進有效教學.中學物理教學參考，2012(4):18