定量探究平行板電容器電容的簡易裝置設計

居 津

(江蘇省蘇州實驗中學，江蘇 蘇州 215011)

電容器是一種重要的電學元件,有著廣泛的應用．平行板電容器是最簡單的、也是最基本的電容器,幾乎所有的電容器都是平行板電容器的變形,所以平行板電容器的電容決定因素的探究是“電容器”章節的重點,也是難點．

人教版高中物理3-1“電容器的電容”章節中,利用以下裝置(圖1)對平行板電容器電容的決定因素進行了探究．利用靜電計指針的偏轉角度體現出電容器兩極板間電勢差的大小,再由電容的定義式反應出電容的大小與影響因素間的關系．

圖1 研究平行板電容器電容大小的因素

本探究裝置的一些缺點:

(1) 只能定量探究平行板電容器電容與影響因素的關系;

(2) 靜電實驗裝置易漏電,對實驗裝置和實驗環境要求較高,需要一個相對干燥、通風的環境;本實驗對實驗者的操作要求比較高;

(3) 在兩極板間距改變時,實驗效果有時不明顯,靜電計指針偏轉過小,不便于全體學生的觀察;

(4) 由于本實驗對操作要求較高,故大部分教師授課時多采用演示實驗,不便于學生實驗觀察能力和動手能力的培養

(5) 本探究實驗裝置的設計非常巧妙,但原理介紹需要占用一定量的課堂時間,學生的理解和實驗現象記錄亦需要大量時間,導致有時完不成教學任務,課堂效率較低．

圖2 數字電容表

鑒于以上一些缺點,筆者設計利用一些簡單的裝置,讓學生親手操作,在較短時間內定量探究平行板電容器電容的決定因素．

實驗目的:定量探究平行板電容器電容的決定因素

實驗裝置:數字電容表(圖2)、鋁箔膠帶(圖3)、pad鋼化膜(圖4)

圖3 鋁箔膠帶

平行板電容器的制作:將鋁箔膠帶剪成完全相同的兩張,分別粘貼在鋼化膜正反兩面,即做成一個簡易的平行板電容器(圖5)．

圖5 自制簡易的平行板電容

實驗1、 探究平行板電容器電容與正對面積的關系

實驗操作:

(1) 將兩條20 cm×9.8 cm鋁箔膠帶平整地黏貼在同一鋼化膜兩面的指定位置．(注: 1. 可使用尺輔助捋平鋁箔; 2. 黏貼時可沿鋼化膜某一邊界，便于兩鋁箔膠帶對齊)

(2) 數字電容表調零,將數字表紅黑表筆分別與兩鋁箔緊密接觸,待讀數穩定后,得到組別1的數據，記錄數據到相應的表格中．(注:測量電容時,保證極板沒有與其他導體接觸)

圖6 鋁箔膠帶裁剪方法

(3) 在兩面鋁箔對應位置分別裁剪下5 cm×9.8 cm部分(如圖6所示虛線右側部分)，即裁剪下鋁箔膠帶的1/4,以減小正對面積(注: 1. 裁剪時可用尺抵住虛線,以防止破壞左側部分)重復實驗步驟2測量剩余鋁箔膠帶的電容，得到組別2的數據.

圖7 裁剪4次后的平行板電容器

(4) 重復步驟3兩次，得到組別3.4的數據.

(5) 測量組別5時,只需要裁剪2.5 cm×9.8 cm 如圖7所示.

實驗1.數據記錄與處理如表1、圖8所示.

表1 平行板電容與正對面積關系數據記錄表

圖8 平行板電容器電容與正對面積關系圖

實驗結論:平行板電容器電容與兩極板正對面積成正比

實驗2.探究平行板電容器電容與間距的關系

實驗操作:

(1) 將兩條20 cm×9.8 cm鋁箔膠帶分別平整地黏貼在不同的兩張鋼化膜兩面的指定位置(如圖9)．(注: 1. 可使用尺輔助捋平鋁箔; 2. 沿鋼化膜邊黏貼時勿使鋁箔貼出鋼化膜邊界．)

圖9 不同間距的平行板電容器示意圖

(2) 對準鋁箔位置,將兩塊鋼化膜緊密的貼合在一起．

(3) 數字電容表調零,將數字表紅黑表筆分別與兩鋁箔緊密接觸,待讀數穩定后,記錄數據到相應的表格中．(注:測量電容時,保證極板沒有與其他導體接觸)

(4) 在兩鋼化膜之間插入一張鋼化膜,重復實驗步驟3測量電容大小．(注:測量電容時,要保證兩鋁箔完全正對,如圖10)

圖10 不同間距的平行板電容器

(5) 根據上述步驟,分別測得組別1、2、3、4、5對應數據,完成下列表格．(注:測量組別1時,應在已貼有鋁箔膠帶的硬化膜上另一面相應位置貼上一條新的鋁箔,以此測量電容)

實驗2.數據記錄與處理:(如表2、圖11)

實驗結論:平行板電容器電容與兩極板間距倒數成正比

表2 平行板電容器電容與兩極板間距數據記錄表

圖11 平行板電容器電容與兩極板間距關系圖

實驗3.探究平行板電容器電容與電介質的關系

實驗操作:可將兩張完全相同的鋁箔紙對稱粘貼在厚度相同的不同電介質(如陶瓷、玻璃、石蠟、云母等)兩側,用數字電容表測量不同電介質的平行板電容器電容．

實驗結論:平行板電容器電容與電介質有關．

綜上,筆者設計的本實驗裝置有以下優點:

(1) 能定量探究平行板電容器電容與影響因素的關系,且實驗效果較好,能達到實驗目的與要求;

(2) 實驗儀器簡單易取,成本低．對實驗裝置和實驗環境要求較低,對實驗者的操作要求相對較低;

(3) 可由學生自己動手操作,便于全體學生觀察,調動學生學習物理的興趣和課堂積極性,通過動手實驗培養學生的觀察能力和動手操作能力(如圖12),學生在課堂上動手操作探究);

圖12 學生定量測量平行板電容器電容影響因素

(4) 本實驗對操作要求較低,容易理解,學生較易掌握操作要領,可以在較短時間內完成實驗,大大提高課堂效率.

實驗是我國物理教學的重要手段,也是優良傳統,并一直在不斷改革、深化、創新發展過程之中,希望本文能起到拋磚引玉的作用,讓創新實驗在物理教學中走的更高、更遠.