定量探究電容的定義式和決定式*

渠雷雷

(蚌埠第二中學(xué) 安徽 蚌埠 233000)

人教版高中《物理·選修3-1》第一章第8節(jié)“電容器的電容”一節(jié)中通過定性實(shí)驗(yàn)“電容器的充、放電過程”以及類比“水容器”直接給出電容的定義式.在“探究平行板電容器電容決定式”時(shí)是利用定性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行處理，然后直接給出結(jié)論.筆者通過自制實(shí)驗(yàn)器材并利用數(shù)字化傳感器定量探究出電容的定義式；借助數(shù)字電容表自制教具“疊層式電容器組”，實(shí)現(xiàn)對(duì)平行板電容器電容決定式的定量探究.

1 定量探究電容的定義式

1.1 設(shè)計(jì)制作原理

根據(jù)圖1所示原理圖制作出實(shí)物裝置如圖2所示,當(dāng)某個(gè)電容器接入電路后，電鍵分別接b和a時(shí)對(duì)應(yīng)電容器的充、放電過程，利用電流傳感器可實(shí)時(shí)記錄電容器的充、放電電流隨時(shí)間變化的規(guī)律.如圖3所示，橫軸上方的圖像表示充電過程中電流隨時(shí)間變化的規(guī)律，橫軸下方的圖像表示放電過程中電流隨時(shí)間變化的規(guī)律.

圖1 探究電容定義式實(shí)驗(yàn)電路

圖2 探究電容定義式實(shí)驗(yàn)裝置

圖3 數(shù)字化軟件記錄充放電過程

圖像與橫軸包圍面積的物理意義即為充、放電的電荷量，通過數(shù)字化專用軟件分別計(jì)算出圖像與橫軸包圍的面積分別為0.225 843和0.218 277，可以看出在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)，充、放電電荷量相同.

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及結(jié)論

選定某一電容器，分別在電容器上加不同數(shù)值的電壓，多次對(duì)其充電，通過傳感器得到對(duì)應(yīng)的電荷量，探究電容器所帶電荷量Q與所加電壓U之間的關(guān)系.將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入Excel表格，并作出Q-U圖像如圖4所示.

從圖4所示的Q-U圖像中可以看出對(duì)于給定的電容器，存儲(chǔ)電荷量與所加電壓成正比，比值為一常量，這個(gè)比值定義為電容.

2 定量探究電容的決定式

2.1 設(shè)計(jì)制作原理

本實(shí)驗(yàn)裝置是利用控制變量的思想定量探究平行板電容器電容C與正對(duì)面積S和板間距d的關(guān)系.板間距d和正對(duì)面積S的定量表達(dá)如下.

(1)鋁箔紙間夾兩層PVC塑料紙，就構(gòu)成兩極板間距為2d的電容器，如圖5所示.

(2)2個(gè)正對(duì)面積為S0、極板間距為d的電容器并聯(lián)，就構(gòu)成一個(gè)正對(duì)面積為2S0、極板間距為d的電容器，按此原理，制作電容器組，如圖6所示.

圖5 平行板電容器板間距的定量表達(dá)

圖6 平行板電容器正對(duì)面積的定量表達(dá)

采用木工板與亞克力板將上述多組電容器組緊密封裝在一起，最后的成品及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效圖如圖7所示.

圖7 探究平行板電容器電容決定式的裝置及結(jié)構(gòu)

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及結(jié)論

(1)探究電容器極板間距d相同，電容C與正對(duì)面積S的關(guān)系.

利用數(shù)字多用電表測(cè)(A1，B1)(A2，B2)及(A1A2，B1B2)間電容大小，測(cè)得的數(shù)據(jù)及結(jié)論如表1所示.

(2)探究電容器正對(duì)面積S相同，電容C與極板間距d的關(guān)系.

利用數(shù)字多用電表測(cè)量(A2，B2)、(A3，B3)及(A4，B4)間電容大小，測(cè)得的數(shù)據(jù)及結(jié)論如表2所示.

表1 探究電容C與正對(duì)面積S的關(guān)系

表2 探究電容C與極板間距d的關(guān)系

3 反思和體會(huì)

以上兩個(gè)方案是筆者在“電容器的電容”教學(xué)中的有益嘗試，通過現(xiàn)代教育技術(shù)手段來定量探究電容的定義式及決定式，一定程度上有效地幫助教師突破了教學(xué)的難點(diǎn)，同時(shí)也使得學(xué)生對(duì)于概念的建立和規(guī)律的理解更為準(zhǔn)確深刻.

為加快教育現(xiàn)代化和教育強(qiáng)國(guó)建設(shè)，推進(jìn)新時(shí)代教育信息化發(fā)展，2018年4月教育部印發(fā)了《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，其中明確指出：“大力提升教師信息素養(yǎng)，推動(dòng)教師主動(dòng)適應(yīng)信息化、人工智能等新技術(shù)變革，積極有效開展教育教學(xué)……實(shí)施新周期中小學(xué)教師信息技術(shù)應(yīng)用能力提升工程，以學(xué)校信息化教育教學(xué)改革發(fā)展引領(lǐng)教師信息技術(shù)應(yīng)用能力提升培訓(xùn).”

作為新時(shí)代的一線教師，在日常教學(xué)中應(yīng)主動(dòng)踐行信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成.