電容器帶電荷量與電壓關系演示儀的設計與制作

王習元張洪明

(淮安市欽工中學 江蘇 淮安 223200) (寧波北侖明港高級中學 浙江 寧波 315800)

1 提出問題

圖1 電容器充放電示意圖

2 實驗原理

圖2 定性觀察電流變化和定量探究Q-U關系的實驗電路圖

3 實驗材料

固定用長方形木板一塊,長75 cm,寬45 cm左右，底座木板，長80 cm,寬19 cm,干電池盒和4節1.5 V新的干電池，9個單刀雙擲開關，25 V,1 000 μF電解電容器5個，25V,4 700 μF電解電容器5個，小燈泡的燈座11個，直流長鳴蜂鳴器3～25 V 2個，3 V白光發光二極管1個，紅光發光二極管3 V 1個，紅色藍色黑色導線若干，固定用螺絲若干.

4 制作過程

(1)準備好制作材料，先畫好電路圖.

(2)將小燈泡底座側面用電鉆鉆出合適的小孔.然后將底座中間的固定銅圈去掉，將發光二極管和電容器的兩個引腳(長正短負)分別接到接線柱的紅黑端銅片上，如圖3(a)，(b)所示.

圖3 發光二極管和電容器的兩個引腳與接線柱的連接

(3)將已經固定在小燈泡底座上的10個電容器先擺放在固定板上，同時放好9個單刀雙擲開關.調整合適的間距.然后在固定板上用鉛筆畫好連線位置.

(4)用十字螺絲刀固定好10個電容器和單刀雙擲開關.

(5)用導線連接好開關和電容器，再向左固定兩個蜂鳴器，如圖4所示.將直流蜂鳴器的紅黑接線正反并聯對接，然后向左連接到兩個固定在小燈泡底座上的白色和紅色發光二極管，注意二極管的正負極.

圖4 固定兩個蜂鳴器

(6)在固定板的左側固定一個單刀雙擲開關，用來給電容器充電和放電時使用.最左側固定好電池組4節干電池,最大電壓6 V.在固定面板中間合適位置固定好兩根長螺絲用來放手機錄音充電和放電時的聲音變化(手機的聽筒位置靠近蜂鳴器).

(7)最后用直角固定件，固定豎直固定板和底座木板.制作完成后如圖5所示.

圖5 完成后的實驗電路實物圖

5 實驗操作

(1)根據圖2閉合開關S0到1位置，電流從左向右通過二極管(發白光)，蜂鳴器發出從強到弱的聲音.聲音大小與充電電流大小成正比，可以用智能手機錄下聲音，觀察聲音振幅變化，聲音振幅變化反映出電容器充電時電流大小變化.

(2)如圖2所示，閉合開關S0到2位置，電流從右向左通過二極管(發紅光)，蜂鳴器發出從強到弱的聲音.可以用智能手機錄制下聲音，觀察聲音振幅變化，聲音振幅變化反映出放電時電流大小變化，播放錄音如圖6所示，可以直接看出電流的變化情況.

圖6 充放電錄音播放時聲音振幅變化

(3)如圖2所示，再次閉合開關S0到1位置，對電容器C1充電，充電完畢后斷開開關S0.設此時電容器C1的帶電荷量為2Q.

(5)如圖2所示，閉合開關S1到4位置，電容器C2與C3之間是并聯(二者完全相同)，并聯后所帶

6 數據處理

實驗數據如圖7所示，開始測量時電容器帶電荷量為零時的電壓也為零.將對應讀出的數據輸入到電子表格當中如表1所示.

電荷量電壓 0.125Q0.250Q0.500Q0.750Q1.000Q第1組電容(25 V,1 000 μF) U/V第2組電容(25 V,4 700 μF) U/V

圖7 實驗數據圖

表1 實驗數據記錄

圖8 U1-Q1關系圖

圖9 U2-Q2關系圖

下面將兩組函數關系在同一坐標系中做出來，根據C1=1 000 μF,C2=4 700 μF,在取相同電壓時Q2=4.7Q1，將相應的數據輸入表2中繪圖如圖10所示.

表2 取相同電壓時，Q1與Q2數據

圖10 表2數據得到的關系圖

圖11 兩組電容器的參數對比

7 儀器優點

(1)通過視覺和聽覺兩種感官定性感受到電容器在充電和放電過程中電流是逐漸減小的，利用白色和紅色二極管演示充電電流和放電電流方向相反.采用二極管降低了對電容器的電容要求.如果想要達到使小燈泡發光需要180 000 μF的電解電容器，體積非常大，而且小燈泡無法顯示出電流的方向，而發光二極管恰好可以解決這個問題.實驗中通過智能手機錄音軟件可以將電流的變化通過聲音振幅的變化表現出來，實現了電流的間接可視化.用手機做實驗體現了用生活物品來做物理實驗，將物理與生活緊密結合.

(4)實驗的數據分布十分對稱，比較以往倍減法的實驗數據，在后面部分有較大的數據空白區，此實驗獲得數據非常完美.數字萬用表電壓檔內阻一般為10 MΩ且不隨改變量程而變化，克服了指針式電壓表內阻不夠大測量電容器電壓時電容器放電影響帶電荷量變化導致實驗誤差增大.實驗中使用的電源是干電池攜帶方便，單刀雙擲開關是實驗室標配，電解電容器淘寶大約5.8元10個包郵，蜂鳴器2.5元1個，二極管10個1包幾元錢，實驗成本較低具有普遍推廣的價值.