電容器充放電實驗的改進

摘 要：本文分析了廣東教育出版社物理選修3-1中電容器充放電演示實驗設(shè)計方案的原理和一些不足，對原方案進行了改進，并針對改進后的實驗方案進行分析、實踐，把改進后實驗方案和原方案進行對比，闡明方案的改進對于教學(xué)可以產(chǎn)生的促進作用。

關(guān)鍵詞：電容器充放電；改進；課堂需求

物理作為一門自然科學(xué)，人類總是通過實驗來探討或驗證相關(guān)的自然規(guī)律，如物質(zhì)的組成、物體之間的相互作用等。理論源于實踐，因此，物理規(guī)律的學(xué)習(xí)和探討離不開親身的實驗。在中學(xué)階段的物理教學(xué)中，實驗內(nèi)容的教學(xué)和探究尤其重要。首先，物理實驗對物理理論教學(xué)起輔助的作用。心理學(xué)中提出，感覺記憶可以形成生動的短時記憶，增加趣味性。實驗過程相當于感覺記憶的產(chǎn)生過程，學(xué)生通過觀察演示實驗，動手做分組實驗等方式，加深對課堂理論知識的理解，加強了對實驗內(nèi)容的記憶。其次，物理實驗是實踐的過程，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新精神。短時記憶在不斷地重復(fù)當中，可轉(zhuǎn)化為長久記憶。學(xué)生在動手設(shè)計或操作實驗的過程中，可以把課本所學(xué)運用到實踐當中，這是一個不斷思考和重復(fù)的過程，既是對所學(xué)知識的檢驗，加深理論印象，又能夠培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新精神，符合二十一世紀學(xué)生核心素養(yǎng)的要求。

作為物理實驗員，在平時除了實驗室管理和實驗準備以外，也要熟悉物理教科書中的理論知識以及了解理論教學(xué)對實驗的需求。課本中的實驗設(shè)計，在理論上是行得通的。但在實際的教學(xué)當中，會由于器材的短缺、實驗課堂的控制等原因，可能會以失敗告終。因此，物理實驗不應(yīng)完全照搬教科書的設(shè)計，而是依據(jù)學(xué)校實際的實驗資金、器材、教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的實際情況來提出符合實際教學(xué)要求的合理改進及創(chuàng)新實驗方案。

一、 電容充放電演示實驗原設(shè)計及缺點

在廣東教育出版社出版的普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-1中，第一章第七節(jié)了解電容器中，給出了一個電容器充放電的演示實驗方案，原理圖如圖a。

該實驗為演示實驗，所需器材為電源、單刀雙擲開關(guān)、小燈泡、導(dǎo)線、470μF電容。學(xué)生的學(xué)習(xí)目標為觀察并能理解電容的充放電過程。

我們要求學(xué)生帶著以下問題觀察實驗：

1. 當單刀雙擲開關(guān)接到左端，電路中有電流嗎？電流通過的時間多長？此過程中，電容帶哪種電荷？

2. 當單刀雙擲開關(guān)接到右端，電路中有電流嗎？電流通過的時間多長？此過程結(jié)束后，電容的極板還有電荷嗎？

這個實驗的原理和操作都十分簡單，可以說明電容在充放電的過程中電路有電流流過。但是，根據(jù)實際情況進行反思，發(fā)現(xiàn)這個實驗設(shè)計存在以下問題：

1. 實驗的首要目的是讓學(xué)生能觀察到電容充放電過程中是否有電流流過電路，電流通過時間的長短。該實驗設(shè)計中，在電容充放電時燈L1亮，說明有電流流過電路，但L1亮的時間非常短，導(dǎo)致難以觀察電流通過時間的長短和電流的變化情況。

2. 演示實驗不僅要切合教材的內(nèi)容，明確實驗的目的，更重要的是實驗效果要明顯，對學(xué)生來說才更有說服力。如果是使用學(xué)生實驗規(guī)格的電容如

470μF 甚至更小，燈L1亮度極小，難以觀察，燈L1就起不到明顯的顯示作用。

3. 舊式單刀雙擲開關(guān)和小燈等元件多次使用后壽命變短得較快，且單刀雙擲開關(guān)多次使用后不動端會松，不穩(wěn)定。

4. 作為演示實驗，元件較小，不利于學(xué)生遠距離觀察，也沒參與實驗，印象不深刻。

二、 改進后的電容充放電實驗原理和分析

根據(jù)以上提到的一些問題，我把該演示實驗改成分組實驗，可以給學(xué)生準備好一些常用的元件，包括電阻、撥碼開關(guān)、發(fā)光二極管、電容、電池盒、

5號電池、萬能實驗板等，并且給出改進后的工作原理圖，讓學(xué)生根據(jù)原理圖連接好電路，并且進行實驗現(xiàn)象的觀察，記錄和分析。

如下圖b所示為改進后的電路原理圖。

此電路可以進行電容充放電演示的實驗。該電路的充電電路由C1、C2、K1、R1及LED1組成，LED1用于顯示充電電流的大小；其放電電路由K2、R2、LED2、C1和C2組成，發(fā)光二極管LED2用于顯示放電電流的大小。

當閉合開關(guān)K1時，電路處于充電狀態(tài)。電路中產(chǎn)生充電電流，流經(jīng)K1、R1和LED1，給電容C1、C2充電。在開關(guān)K1閉合的瞬間，C1、C2沒有電荷，電容兩極板間的電壓都是零，此時得到最大的充電電流，發(fā)光二極管LED1的亮度最強，隨著充電電流的減弱，LED1的亮度也逐漸減弱，直至充電完成，LED1熄滅。

當LED1熄滅，表示電容C1、C2已充電完成。此時，斷開開關(guān)K1，閉合開關(guān)K2，兩電容開始通過K2、R2和LED2放電，點亮LED2，這表示電容在放電時電路中有電流流過。此時，電容C1、C2兩極板間的電壓隨著儲存的電荷的逐漸減少而降低，LED2的亮度也由最亮迅速變暗，直至電容兩端電壓為零時LED2熄滅，放電結(jié)束。

除了觀察到上面的現(xiàn)象外，我們還需要觀察電流通過的時間長短。電阻R1和R2在電路中作為限流電阻，通過更換電路中R1和R2，我們可以發(fā)現(xiàn)R1和R2越大，充放電過程中LED1和LED2點亮的時間越長；若在電路中再多并一個電容，那么充放電過程中LED1和LED2點亮的時間也會越長。由此我們可以推斷，電流通過時間的長短和限流電阻以及電容容量大小都有關(guān)。

三、 改進后電容充放電實驗的優(yōu)點

此設(shè)計與上面提到的教科書上的方案設(shè)計對比有以下優(yōu)點：

1. 把電容充放電的教師演示實驗變成學(xué)生的分組實驗，學(xué)生可以更清晰地觀察實驗現(xiàn)象。此外，也增強了實驗的趣味性，學(xué)生在實驗過程中親自動手操作，體現(xiàn)了探究學(xué)習(xí)中學(xué)生的主體地位，他們對課本上理論知識的理解也會更深刻。

2. 改成分組實驗所需要用的電子元件都是實驗室常用的電子元件，容易購買，價格低廉。萬能實驗板的使用，可以給學(xué)生一點提示，利用它能做各種各樣的電學(xué)實驗和制作，這次實驗一定程度上可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3. 實驗室中一般都是小容量的電容，電路中用了兩個470μF的電容并聯(lián)來提高電容的容量，延長試驗時間，更利于觀察充放電過程。

4. 用發(fā)光二極管來代替小燈，解決了小燈因電容容量較小，燈的亮度不明顯造成觀察不到的問題，且發(fā)光二極管的壽命比小燈長。

5. 用撥碼開關(guān)代替單刀雙擲開關(guān)，能滿足在萬能實驗板上即插即用的要求，所占空間小，且有封裝安全、防水、耐高溫等優(yōu)點。

根據(jù)以上的分析，改進后的實驗方案解決了原方案出現(xiàn)的一些問題，并且能讓學(xué)生參與到實驗中，能滿足物理課堂的需求，并且可以提高學(xué)生的動手能力、求知欲望和學(xué)習(xí)熱情，對物理教學(xué)能起一定的促進作用。

參考文獻：

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作者簡介：陳冰，廣東省廣州市協(xié)和中學(xué)。endprint