定量探究電容器電容的創新設計

王志斌 王若茗

(1. 歙縣中學,安徽 黃山 245200; 2. 河海大學環境學院,江蘇 南京 210098)

1 常規探究電容器電容裝置

1.1 教材中的實驗裝置

圖1 教材實驗裝置

1.2 定量探究電容器電容裝置制作存在的困難

2 探究電容器電容裝置的設計與制作

2.1 實驗器材

鋁箔紙,包鮮花用PVC塑料紙,亞克力板,木工板(厚1.5cm),帶螺帽螺栓(直徑為1cm,長6cm)6只;數字多用電表(能測電容)1只;導線、接線柱若干．

2.2 實驗裝置制作的原理

(1) 如圖2所示,用兩張等大鋁箔紙分別作為電容器的上下極板,中間夾一張PVC塑料紙(介電常數約為3.5,厚約為25μm)作為介質層,壓緊使它們完全貼合在一起,就構成了一個電容器,鋁箔紙的面積就是電容器極板的正對面積S0,作為介質層的PVC塑料紙的厚度d,就是電容器兩極板間距d．

(2) 采用倍增累積法來改變與控制兩極板間的距離．若在上、下鋁箔紙間夾兩層PVC塑料紙為介質層,壓緊使它們貼合緊密,就構成了正對面積為S0,兩極板間距為2d的電容器(如圖3)．同理,在上下鋁箔紙間夾3層PVC塑料紙為介質層,壓緊使它們貼合緊密,就構成了正對面積為S0,兩極板間距為3d的電容器(如圖4)．

圖2 (S0,d)圖3 (S0,2d)圖4 (S0,3d)

(3) 采用倍增累積法來改變與控制兩極板的正對面積．n個正對面積為S0,極板間距為d的電容并聯,就構成一個正對面積為nS0,極板間距為d的電容器,按此原理,制作電容器組．如圖5所示,(a)中A1B1間由5個正對面積為S0,極板間距為d的電容器并聯,構成一個正對面積為5S0,極板間距為d的電容器,同理可得(b)(10S0,d),將A1A2連接,B1B2連接．A1A2,B1B2間就構成一個正對面積為15S0,極板間距為d的電容器;保持正對面積為10S0,改變極板間距分別為2d、3d,分別構成電容器(c)(10S0,2d)、電容器(d)(10S0,3d)．

圖5 電容

2.3 實驗裝置的制作

2.3.1 電容器的制作

步驟1:將兩塊木工板及兩塊亞克力板,按圖6中尺寸制作,并在圖示位置鉆直徑為1cm的小孔6個．

圖6

步驟2:將鋁箔紙大小均按圖7(a)所示裁剪,只是突出部分位置不同,圖7(a)形狀裁剪10張,圖7(b)、(c)、(d)形狀各裁剪20張;PVC塑料紙裁剪(40cm×41cm)100張．

圖7 電容器制作材料

圖8 單元電容器

步驟3:在水平放置的木工板(1)上放上亞克力板(1),使6個小孔分別正對．在亞克力板上按層疊方式平鋪裁剪后的鋁箔紙與PVC塑料紙,按鋁箔紙(下極板)→PVC塑料紙(介質層)→鋁箔紙(上極板)→PVC塑料紙(絕緣層)順序,這樣就制成了一個單元電容器,如圖8所示，共鋪5個單元電容器即為圖5中第1組(A1,B1),以此類推,可得第2組(A2,B2),第3組電容器鋪設時在上下兩極板層間夾兩層PVC塑料紙為介質層,極板間距為2d,可得第3組(A3,B3),同理可制作出第4組(A4,B4)．

步驟4:將各組上下極板的突出部分,分別緊密疊合在一起,作為電容器極板的引線,即(A1,B1)、(A2,B2)、(A3,B3)、(A4,B4)．

圖9 電容器俯視圖

步驟5:在鋪設完成的電容組上,平鋪上亞克力板2,在亞克力板2上再放木工板2,使4塊板的6個螺孔分別正對,如圖9所示,木工板能將6個螺栓產生的壓力均勻施加在亞克力板上,表面平整的亞克力板才能使極板層與介質層間均勻擠壓、緊密貼合,盡可能多排出各層之間的空氣,使得極板層之間的距離為d、2d和3d．這一步是制作的關健,筆者在制作過程中經歷了多次失敗,才找到這種組合擠壓方案使裝置制作成功．

2.3.2 疊層式電容器實驗裝置

如圖10為自制的定量探究電容器電容的實驗裝置,在面板上嵌上數字萬用表,即可進行實驗操作或演示．

圖10 實驗裝置

3 自制實驗裝置探究過程及定量測量的數據結果

3.1 保持電容器兩板板間距離d相同,探究電容器電容C與正對面積S的關系

由圖10內部結構等效圖,介紹電容器組內部(A1,B1)及(A2,B2)之間的正對面積大小和極板間距大小,用數字多用電表的電容μF擋,直接測量(A1,B1)(A2,B2) 之間的電容;用兩根帶鱷魚夾的導線,分別連接A1和A2,B1和B2,用數字多用電表的電容μF檔,直接測量(A1A2,B1B2) 之間的電容值大小,數據及結論如表1．

表1 電容器電容大小與正對面積S的關系

3.2 保持電容器兩極板正對面積相同,探究電容器電容與兩極板間距d的關系

由圖10內部結構等效圖,介紹(A2,B2)、(A3,B3) 及(A4,B4)間的極板正對面積和極板間距大小,用數字多用電表的電容μF擋測量(A2,B2)、(A3,B3) 及(A4,B4)間電容大小,數據及結論如表2．

表2 電容器電容與兩極板間距d的關系

該實驗裝置在教學中使用簡潔方便,準確直觀,能夠滿足高效課堂的教學需要．同時該實驗裝置還可用于探究電容器的串、并聯等．

4 自制實驗裝置與常規實驗裝置的比較

常規實驗裝置與自制實驗裝置的比較如表3所示.

表3 常規實驗裝置與自制實驗裝置的比較

實驗探究是物理學科核心素養的重要組成部分,成品化供應的教學儀器滿足不了師生個性化教學的要求．自制實驗裝置成為實現教學創新的重要手段．本裝置制作過程中,師生共同協作,結合所學電容器的相關知識,運用等效替代法、控制變量法、倍增累積法和均分法,用易得材料制作疊層式電容器組．學生經歷了發現問題、提出方案、制作與改進裝置及實驗探究過程,完善了電容器知識的建構,鍛煉了動手能力,培養了獨立思考與創新能力,體會了成功的喜悅．教師在教學中對學生物理學科核心素養的培養也真正落到了實處．

參考文獻：

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3 李穎. 優化實驗教學資源發展學生科學思維——以“了解電容器為例”[J]. 中學物理教學參考, 2017(11):21-23.