探究電容器帶電量Q和兩極板間電勢差U的關系

徐驍暢

電容是描述電容器儲存電荷本領的重要物理量。然而對于這一概念的得出課本上沒有安排具體的實驗，學生只能被動接受這一結論，而缺少了親自探究物理規律的過程。實際教學中我們設計了一個具體的實驗讓學生去體會：當電容器帶不同的電荷量時兩極板間就有不同的電壓，并通過實際測量對應的電量和電壓，得出它們之間的關系。

一、實驗設計

實驗設計思路是：讓一個電容器充電后，測出其所帶的電荷量Q和兩極板間電勢差U，再分別測量這個電容器在不帶電量下的電壓以獲取多組數據，最后通過Q～U圖象來探究二者的函數關系。那么實際實驗操作時該如何測量電容器的帶電量Q和電壓U呢？

二、難點突破

1.如何測量電容器所帶的電荷量Q？

關于電荷量Q的測量我們采用的是間接測量的方法。受到庫侖在研究電荷間相互作用力時所采用的電荷均分辦法的啟發，我們想，既然兩個相同的金屬球接觸時可以均分電荷，那么我們讓兩個相同的電容器相連，自然也可以均分電荷。通過這種方法，我們雖然不能得出一個電容器所得電荷量Q的具體值，但是我們可以得出Q，Q/2，Q/4等不同比例的電荷量，再測出對應的電壓，即可探究Q～U的比例關系。

2.如何測量電容器兩極板間的電勢差U？

關于電壓U的測量我們采用的是電壓傳感器測電壓。如圖一，一開始我們考慮用電壓表來測電壓，實際操作時發現，當電壓表與電容器相連后會導致電容器的放電，兩極板間電勢差迅速減小，實際讀數困難，根本無法完成電壓的準確測量。后來我們又嘗試了很多辦法，發現用電壓傳感器測電壓可以有效地減緩電容器的放電。

三、完善方案

解決好本實驗中的兩個難點，接下來動手設計實驗電路。最終改進和完善后的電路圖和實物圖如圖二所示：

實驗步驟：

1.將K2擲于b端，閉合K1，電源給電容器C1充電，充電完成后設其帶電量為Q。電壓傳感器測量C1兩端電壓為U1，記錄數據，斷開K1。

2.K2擲于a端，電容器C1和C2相連，電量均分后C1帶電量為Q/2。電壓傳感器測量C1兩端電壓為U2，記錄數據。

3.K2擲于b端，C2通過電阻R放電。放電完畢后，C2電量

為零。

4.重復實驗步驟2、3以獲取多組數據，并記錄。

5.運用計算機繪制出Q～U圖象，分析圖象得出實驗結論。

四、合作探究

指導學生進行正確的實驗操作，分別獲得電容器的不同帶電量Q，并用電壓傳感器測量出對應的電壓U，記入表格中（如下表），再由計算機繪制出Q～U圖象（如圖三）。

分析圖象得出實驗結論：電容器的帶電量Q和兩極板間電勢差U成正比。

五、反思評價

本實驗利用學生已有知識和方法引導學生設計了新的實驗，既是對教材內容的延伸和拓展，又鍛煉了學生的思維能力和動手能力，更能有效地提高學生的科學素養。

編輯 郝全玲