平行板電容器電容演示儀的創(chuàng)新與自制

(重慶師范大學物理與電子工程學院，重慶 401331)

1 設(shè)計思路

將電子科技制作——調(diào)頻無線話筒裝置中RLC振蕩電路的電容放大為直觀的平行板電容器,通過改變平行板電容器的參數(shù),觀察收音機中音頻的變化情況,從而來判斷電容是否改變．如果電容的某些參數(shù)改變的時候電容也發(fā)生了改變,就可以初步提出猜想,并繼續(xù)進行實驗探究．

2 演示儀結(jié)構(gòu)與制作

2.1 平行板電容器電容演示儀基本結(jié)構(gòu)

本裝置是由3個部分組成,分別是:平行板電容器、調(diào)頻無線話筒自制電子積木電路板、全波段調(diào)頻收音機,CAD圖如圖1所示,實物圖如圖2所示．

圖1 平行板電容器電容演示儀CAD圖

圖2 平行板電容器演示儀實物圖

2.2演示儀的制作

(1) 平行板電容器部分是市售的平行板電容器,網(wǎng)絡(luò)或者實驗用品商店均可以購買到,主要結(jié)構(gòu)是兩個直徑為220 mm的金屬圓盤作為兩個極板；圓盤分別由絕緣有機玻璃作為支撐并連接底座；空氣作為絕緣電介質(zhì)．

(2) 調(diào)頻無線話筒自制電子積木電路板部分,首先根據(jù)調(diào)頻無線話筒電路圖(如圖4所示)通過Altium designer軟件畫出PCB電路板,如圖3所示,轉(zhuǎn)印腐蝕到單面覆銅板上,根據(jù)表1中的元件信息,將對應(yīng)位置的電路元件焊接．

圖3 調(diào)頻無線話筒PCB圖

元件焊接工作完成后,接下來就是對于電路的調(diào)試:將一段音頻放在駐極話筒附近,打開裝置的開關(guān)然后打開全波段調(diào)頻收音機．旋轉(zhuǎn)收音機的調(diào)諧數(shù)字旋鈕,進行搜臺,直到收音機中傳出聲音為止．如果在收音機的整個頻段(即88-108MHz)仍搜不到聲音,則可以嘗試調(diào)整振蕩線圈的L的線圈間距,若調(diào)整線圈的松緊仍無奏效,則將L取下,調(diào)整線圈的匝數(shù),重新焊上后繼續(xù)上述調(diào)整．[3]

表1 元件信息

(3) 全波段調(diào)頻收音機也是采用市售的半導體收音機,采用這樣的收音機可以通過手動調(diào)整頻率收到“調(diào)頻無線話筒”所發(fā)出的信號,同時不同長度的波段也可以進行調(diào)整增加了演示儀的成功性．

本教具具有現(xiàn)象明顯,構(gòu)思獨特,應(yīng)用性強,直觀易懂,取材于生活等的特點．

3 演示儀原理

3.1 平行板電容器

根據(jù)平行板電容器的電容的決定式,當平行板電容器兩極板間是真空時,電容C與板間距d、半間正對面積S的關(guān)系為

(1)

當兩極板間充滿同一種介質(zhì)時,平行板電容器的電容增大為真空時的某一個倍數(shù),這個倍數(shù)與電介質(zhì)材料的絕緣性能有關(guān),倍數(shù)越大電介質(zhì)材料的絕緣性能就越好,物理學上把這個倍數(shù)叫做電介質(zhì)的相對介電常數(shù),用字母εr表示．當兩極板間充滿同一種介質(zhì)時,電容增大為真空時的εr倍，則

(2)

可知平行板電容器的電容與極板的板間距離、正對面積以及電介質(zhì)的材料有關(guān)．所以可以通過改變這3個量來改變平行板電容器的電容．

3.2 調(diào)頻無線話筒自制電子積木電路板

如圖4是調(diào)頻無線話筒的電路圖,其中① MIC是駐極體話筒,其作用是感應(yīng)微弱的聲波振動,并輸出跟聲波變化規(guī)律一樣的電信號；② C1和L組成并聯(lián)諧振回路,起到調(diào)節(jié)振蕩頻率的作用；③ C2是高頻信號輸出耦合電阻,目的是讓高頻數(shù)字信號變成無線電波發(fā)射出去．[4]通過改變C1電容的大小、線圈L的直徑、間距、匝數(shù)以及粗細,均可改變發(fā)射頻率,[4]本演示儀將貼片電容器C1放大成可以調(diào)節(jié)電容大小的平行板電容器,通過改變極板的位置以及電介質(zhì)來改變電容的大小,進而實現(xiàn)頻率的改變．

圖4 調(diào)頻無線話筒電路圖

3.3 全波段調(diào)頻收音機

無線調(diào)頻話筒中的音頻信號經(jīng)過天線發(fā)射到外界環(huán)境中,收音機會接收到附近的聲音信號,在收音機的整個頻段(即88-108 MHZ)范圍內(nèi)手動調(diào)臺,如果收不到聲音,可以通過調(diào)節(jié)線圈L的各個參數(shù)或者調(diào)整平行板電容器C1的電容進行調(diào)試收聽．

4 演示與操作

將一段音頻放到駐極話筒的附近,打開調(diào)頻無線話筒的開關(guān),調(diào)頻信號就會通過天線輻射出去,收音機接收到信號后就可以將這段音頻播放出來．在實驗演示的過程中,可以先保留電路板中的元件,將整個裝置的效果演示給學生看以后,再將很小的貼片電容C1置換成直觀的放大的平行板電容器．剛連接時,收音機中音頻變得很不清晰,這時再分別改變平行板電容器兩極板的板間距離d,正對面積S以及在兩個極板之間放入有機玻璃板(更換電介質(zhì)),都可以聽到在變化的過程中音頻的清晰程度在不斷變化,說明平行板電容器的電容在不斷變化．實驗演示操作如圖5所示.

(a) 改變板間距離d

(b) 改變正對面積S

從而可以引導學生進行初步猜想:平行板電容器的電容大小與極板的板間距離d,正對面積S,以及電介質(zhì)的材料有關(guān)．

5 應(yīng)用與展望

該裝置可以作為引入實驗應(yīng)用在演示“電容器的電容”這一節(jié)“平行板電容器的電容”部分的教學中.

電容是一個很抽象的電學元件,雖然生活中很常見,但是學生接觸的機會卻很少,本演示儀可以吸引學生的注意力,將物理教學與生活中一些常見的物品聯(lián)系起來,體現(xiàn)物理與生活的理念．同時在本節(jié)課的探究實驗教學中,對于提出猜想的部分,學生基于已經(jīng)學習的知識無法進行直觀的猜想,通過這個演示實驗可以讓學生通過自己觀察實驗現(xiàn)象,提出初步的猜想,有理有據(jù)．