利用電子積木探究2018年江蘇物理高考第8題

吳芳

摘 要：本文立足于物理實驗課程改革需要，將中小學研究型課程中的學具——“電子積木”引入物理實驗探究教學，把一道物理高考題的講解變得具體，生動，令人印象深刻。目的是使更多的學生隨時隨地可以探究物理實驗，感悟物理學科帶來的魅力，促進物理核心素養(yǎng)的形成。

關鍵詞：電子積木; 電容器; 充放電

中圖分類號：G633.7? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1006-3315（2019）8-022-002

1.引言

高二選修3-1《電容器的電容》一課中充放電內(nèi)容作為一個非重點知識，課本上以“從靈敏電流計可以觀察到短暫的充電電流、放電電流”一句而過，很多老師也是一帶而過，學生更是一知半解。以至到了高三，學生對該知識點印象模糊，因此不少學生在2018年江蘇物理高考第8題失分嚴重。如果結(jié)合電子積木，通過簡單而具體的實驗，就可以把本來抽象、不容易理解的習題，變得簡單、具體、生動，令人印象深刻。

電子積木引進中小學研究性學習，并作為中小學生科技競賽項目“電子百拼”已經(jīng)很多年了。它的元件多樣化，不僅包括了電源、導線、開關、變阻器、燈泡、電表等常見元器件，還含有光敏電阻、發(fā)光二極管、三極管、干簧管、電容器、電感線圈、變壓器、手搖發(fā)電機等高中實驗常見元器件，甚至還配置了流水彩燈、蜂鳴片、金屬探測器、FM收音機、錄音IC以及一些其他趣味集成電路。電子積木使得物理電學實驗變得實用、趣味、普及，讓孩子們從小接觸物理電路，并愛上物理電學實驗。但簡單的模仿說明書上的拼搭，不能讓他們知道這些奇妙現(xiàn)象發(fā)生的原理，這就需要初高中教師對物理電路部分教學進行正確引導了。把電子積木引入課堂，在玩中做，做中學，遵循學生的認知規(guī)律，循序漸進，逐步深化，促進物理核心素養(yǎng)的形成。

2.原題重現(xiàn)

（2018年江蘇省高考物理試題第8題）如圖1所示，電源E對電容器C充電，當C兩端電壓達到80V時，閃光燈瞬間導通并發(fā)光，C放電。放電后，閃光燈斷開并熄滅，電源再次對C充電。這樣不斷地充電和放電，閃光燈就周期性地發(fā)光。該電路：

（A）充電時，通過R的電流不變？

（B）若R增大，則充電時間變長;

（C）若C增大，則閃光燈閃光一次通過的電荷量增大;

（D）若E減小為85V，閃光燈閃光一次通過的電荷量不變。

本題出題人意在考查電容器的充放電這個知識點學生的掌握情況，以及能否結(jié)合實際出現(xiàn)的情景，熟練運用公式Q=CU，Q、I、t三者之間的關系，以及其他電路基本知識進行合理的分析，從而得到正確答案。

3.利用電子積木設計電路進行探究

（1）探究電容器充電時電路中電流的變化情況

（A）同學們對A選項閱讀分析后，有的同學提出：“因為是充電，電流逐漸增大。”有的同學提出：“電容接在電池兩端，電壓應該不變，電流也不變。”還有的同學覺得電流應該減小。眾口不一，事實究竟如何呢？我請同學們拿出電子積木，拼搭出電路進行驗證。同學們尋找到了電子積木元件，組成電路（如圖2所示）進行定性分析，并且設計放入了電流表，讓題目以實驗現(xiàn)象呈現(xiàn)更直觀。同學們先連接好電路，按下電鍵，確保給電容放了電。然后閉合開關，觀察發(fā)現(xiàn)：電流表先瞬間偏到了第9格，然后才漸漸回到0刻度線。

這是什么原因呢？原來開關一閉合，電容器就開始充電，此時電路電流瞬間達到最大。而后卻隨著電容器充電，其兩端電壓U會不斷地增大，而電動勢E卻是不變的，這就導致電阻R兩端的電壓逐漸減小，根據(jù)歐姆定律，R兩端的電流I也逐漸減小。當電容器充電完成時，電源與電容器極板間的電勢差就等于0了，即R兩端沒有電壓，I也就為0。因此，A選項錯誤。

（2）探究僅改變電阻，則電容器充電時間的變化情況

在有了對A選項的實驗和分析的基礎上，不少學生一眼就看出選項B正確。電路實驗過程中，學生們把電阻R從1K[Ω]換成10K[Ω]。在先按下電鍵給電容放電的前提下閉合開關，觀察到最大電流由原來電流表偏轉(zhuǎn)的9格，變成偏轉(zhuǎn)7格。不少同學在1K[Ω]和10K[Ω]來回對比，發(fā)現(xiàn)電流表指針從最大回到0的過程中，安裝10K[Ω]的電阻的電路，電容器充電的時間也比較長。從中我們總結(jié)結(jié)論：當電阻R變大時，充電瞬間電流達到的最大值變小，而充電時間卻變長了。

結(jié)合題目分析，當電阻R增大而電動勢E不變的條件下，開關剛閉合時電流I的瞬時值相應減小了。而閃光燈放電，電壓還是80V，這說明電容器充電電壓也是80V，根據(jù)公式Q=CU，電容器充電量Q不變。結(jié)合Q、I、t三者之間的圖像關系（如圖3所示），Q不變（即I—t圖像面積不變）、I減小，t就會相應變長了。所以B選項正確。

（3）探究僅改變電容，則電容器充電電荷量的變化情況

按照C選項所述，電容C增大，閃光燈閃光一次通過的電荷量增大嗎？同學們依次使用10[μ]F和100[μ]F電容，按下電鍵放電，閉合開關觀察數(shù)據(jù)。經(jīng)過反復地觀察、對比，發(fā)現(xiàn)：在其他條件相同的情況下，使用100[μ]F的電容，電流表偏轉(zhuǎn)明顯大，并且指針回到0刻度線的時間明顯變長了。依據(jù)現(xiàn)象，結(jié)合Q、I、t三者圖像關系（如圖4所示），很顯然電容器充電一次的電荷量Q（即I-t圖像面積）明顯偏大。

理論分析：由于電容C大，容抗就小，開關剛閉合時電流I的瞬時值就大。而電容器電壓U仍然要達到80V才放電，這個條件不變，根據(jù)公式Q=CU不難理解，電容器充電量Q會隨電容C的增大相應增大。而閃光燈閃光一次放的電荷量就是電容器此時充的電荷量，所以充電電荷量增多，放電電荷量自然而然也就增大了。那么選項C是對的。

（4）探究僅改變電源電動勢，則電容器充電電荷量的變化情況

遵循D選項，把電源電動勢減小為85V，此時閃光燈閃光一次通過的電荷量又是怎樣的呢？由于有了前三個選項的鋪墊，同學們輕易就得到了答案。當電源電動勢E由90V減小到85V，但仍然大于80V，而實際電路中電容器一達到80V就要對閃光燈放電，從而循環(huán)往復。也就是說給電容器充電，兩極板電壓還是會達到80V。這樣，當電容器充電完成時，兩極板還是80V，根據(jù)公式Q=CU，電容器此時充電的電荷量還是Q不變，且能使閃光燈瞬間導通并發(fā)光，放出的電荷量自然也等于原來的Q。因此，D選項也是正確的。

當然，如果電源電動勢減小到80V以下，那么根據(jù)Q=CU，充電電量Q隨之減小，也就不能達到閃光燈放電的要求了。

4.結(jié)語

高中物理實驗課程改革要求注重過程的呈現(xiàn)，創(chuàng)設真實情景，強化實驗教學，讓學生動手操作，從而提升探究能力，并由此感悟物理學科所帶來的魅力。因此在我們利用高科技，不斷提高物理實驗演示教學精度的同時，讓我們的學生人手一份實驗裝置，人人在課堂內(nèi)外得以操作探討研究，也有不同尋常的意義。把電子積木引入課堂，讓學生隨時隨地在玩中做，做中學，在潛移默化中培養(yǎng)學生的物理核心素養(yǎng)。我將繼續(xù)嘗試、改進、創(chuàng)新，也希望和廣大教師朋友一起努力，讓更多的學生動手物理實驗。