電容器充放電演示儀的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)演示

劉利瀾

(廣州市玉巖中學(xué) 廣東 廣州 510700)

李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

演示實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要組成部分，將抽象化的知識(shí)或概念具體化為直觀清晰的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，不僅能加深學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解，還能培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)遷移的能力和創(chuàng)造性思維.近年來(lái)，自制創(chuàng)新教具因其取材方便、現(xiàn)象明顯、教學(xué)效果良好等而逐漸被用于課堂教學(xué)中[1,2].

“電容器的電容”是高中物理的一個(gè)重要教學(xué)內(nèi)容，但電容器進(jìn)行充放電的過(guò)程抽象，不易被學(xué)生理解，因此有必要將電容器充放電過(guò)程具體化.針對(duì)“電容器的電容”教學(xué)現(xiàn)狀，創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了電容器充放電演示儀，該教具是集電、光、磁于一體的多功能演示儀，通過(guò)演示不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象促進(jìn)學(xué)生對(duì)電容概念的理解，激發(fā)學(xué)生的好奇心，優(yōu)化課堂教學(xué).

1 教具的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

1.1 優(yōu)化教材原型實(shí)驗(yàn)

在高中物理教材人教版選修3-1中介紹的演示實(shí)驗(yàn)，采用靈敏電流計(jì)偏轉(zhuǎn)情況顯示電容器充放電過(guò)程(如圖1所示)[3].

圖1 教材中電容器充放電電路圖

在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，該方案存在兩方面的問(wèn)題：一是靈敏電流計(jì)量程較小，導(dǎo)致充放電現(xiàn)象可見(jiàn)度不高且稍縱即逝，還易造成儀器的損壞.二是該方案中單一地用靈敏電流計(jì)來(lái)表示充電與放電過(guò)程，易讓學(xué)生誤以為電容器儲(chǔ)存的電荷只能輸出成電能，實(shí)際上，電容器放電時(shí)釋放出的電能，還能被轉(zhuǎn)化為其他形式的能量加以利用.筆者認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)演示較為片面，過(guò)程缺乏探究性.

針對(duì)教材實(shí)驗(yàn)存在的不足，設(shè)計(jì)了多功能電容器充放電演示儀，如圖2所示.

圖2 改進(jìn)電路圖

具體改進(jìn)如下：

(1)利用小燈泡的亮暗演示充電過(guò)程.

(2)用單向?qū)ǖ陌l(fā)光二極管檢測(cè)充放電的電流方向.

(3)利用耗電少的石英鐘記錄放電時(shí)間.

(4)利用電磁炮演示電容器釋放的電能可轉(zhuǎn)換成其他形式的能量.

1.2 制作材料

3種不同規(guī)格的電解電容(分別是“1 000 μF,25 V”“2 200 μF,25 V”“3 300 μF,25 V”)各1只；學(xué)生電源(12 V)；單刀雙擲開(kāi)關(guān)1只；單刀開(kāi)關(guān) 4 只；電位器(10 kΩ)1個(gè)；小燈泡(2.5 V,0.3 A)1個(gè)；電阻(50 Ω)一個(gè)；石英鐘(3 V)1個(gè)；KT板1塊；發(fā)光二極管若干,線圈、木板、磁鐵釘、導(dǎo)線等.(說(shuō)明：以上器材參數(shù)是筆者嘗試后認(rèn)為有明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象而確定的，研究者可自行調(diào)整)

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置的制作

(1)按圖2所示的電路圖組裝“電容器充放電演示儀”裝置，如圖3所示.

圖3 教具裝置圖

(2)搭建框架

利用一塊長(zhǎng)木板作為裝置的底座，將KT板放置在木板底座上作為放置元器件的平臺(tái)，并用4根木條固定整個(gè)框架.

(3)電路設(shè)計(jì)

在干路上串聯(lián)一個(gè)R0作為保護(hù)電阻保護(hù)電路，將3種不同容量的電容器并聯(lián)到電路中，對(duì)比不同容量電容器儲(chǔ)電能力.將10 kΩ電位器和發(fā)光二極管以及石英鐘串聯(lián)起來(lái)并入電路中，電位器可調(diào)節(jié)電路電阻，調(diào)節(jié)電容器放電時(shí)間.利用發(fā)光二極管(將紅色發(fā)光二極管焊接成桃心形狀，使現(xiàn)象更明顯、有趣)的特性能展示電流的大小和方向，石英鐘具有能記錄時(shí)間且損耗電能較少的特點(diǎn)，該儀器的引入可增加實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可見(jiàn)度和直觀性.

(4)制作電磁炮

將多匝線圈繞在PVC管上，并在管內(nèi)放一個(gè)磁鐵釘，電磁鐵裝置并聯(lián)接入電路中.給電磁鐵通電后，鐵釘會(huì)從電磁鐵中發(fā)射出來(lái)，觀察鐵釘發(fā)射后飛出的方向和距離，可判斷電流的方向和大小.電磁炮的引入可增加教具的趣味性和實(shí)踐意義.

2 電容器充放電演示儀的演示

2.1 使用方法

(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選擇電路

根據(jù)需要演示的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，通過(guò)開(kāi)關(guān)閉合或斷開(kāi)選擇演示儀的相應(yīng)電路.

(2)電容器充電過(guò)程

接通電源，將單刀雙擲開(kāi)關(guān)S1撥到1端，閉合電容器上端的開(kāi)關(guān)(可任意選取S2,S3，S4)，電容器開(kāi)始充電，小燈泡先閃亮后熄滅表示充電完成.

(3)電容器放電過(guò)程

在步驟(2)的基礎(chǔ)上將單刀雙擲開(kāi)關(guān)S1撥到2端，閉合發(fā)光二極管上端開(kāi)關(guān)S5，電容器開(kāi)始放電，發(fā)光二極管亮起，石英鐘走動(dòng)計(jì)時(shí)，發(fā)光二極管亮度逐漸減弱至熄滅，石英鐘停止走動(dòng)表示放電完畢.

(4)電磁炮趣味實(shí)驗(yàn)

在步驟(2)的基礎(chǔ)上將單刀雙擲開(kāi)關(guān)S1撥到2端，將電磁炮路端的開(kāi)關(guān)S6閉合，電容器放電，可觀察到電磁炮中的磁鐵釘飛出.

2.2 電容器充放電演示儀的教學(xué)演示

本教具的開(kāi)發(fā)遵循多功能的設(shè)計(jì)原則，力求起到一具多用的效果.通過(guò)在課堂上利用上述自制的低成本創(chuàng)新電容器充放電演示儀，教師可引導(dǎo)學(xué)生帶著問(wèn)題走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象思考問(wèn)題.

2.2.1 創(chuàng)設(shè)情境 導(dǎo)入電容器

(1)將單刀雙擲開(kāi)關(guān)S1撥到1端(電源電壓為12 V)，再閉合開(kāi)關(guān)S2接入量程為“1 000 μF,25 V”的電容器，可觀察到小燈泡L1先閃亮后逐漸熄滅.

(2)小燈泡熄滅后將單刀雙擲開(kāi)關(guān)S1撥到2端，閉合開(kāi)關(guān)S5，可觀察到發(fā)光二極管發(fā)光，同時(shí)石英鐘走動(dòng)計(jì)時(shí).

通過(guò)該演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突并提出問(wèn)題：發(fā)光二極管發(fā)光、石英鐘會(huì)走動(dòng)說(shuō)明有電流通過(guò)，但電路中沒(méi)有接入電源，此時(shí)的電流從何處來(lái)？引發(fā)學(xué)生的討論，激發(fā)學(xué)生的求知欲.接著引導(dǎo)學(xué)生觀察電路圖，猜想發(fā)光二極管能發(fā)光與電容器有關(guān)，導(dǎo)入電容器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為學(xué)生創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生解決問(wèn)題.改進(jìn)后的演示實(shí)驗(yàn)可視性增強(qiáng).

2.2.2 觀察充放電過(guò)程 建立電容概念

在2.2.1演示實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生猜測(cè)發(fā)光二極管能發(fā)光與電容器有關(guān)，但這還停留在對(duì)現(xiàn)象的認(rèn)知上，此時(shí)，教師可進(jìn)一步提出問(wèn)題，電容器是什么以及如何工作的？教師引導(dǎo)學(xué)生觀察電容器充放電過(guò)程的示意圖(圖4)，發(fā)現(xiàn)電容器是一種儲(chǔ)存電荷的“容器”，充電時(shí)，電容器儲(chǔ)存了電能；而放電時(shí)，釋放出儲(chǔ)存的電能，并轉(zhuǎn)化為其他形式的能量加以利用.在建立了電容器的概念后，學(xué)生對(duì)電容器產(chǎn)生了一定的認(rèn)識(shí)，教師可引導(dǎo)學(xué)生思考：既然電容器是一種儲(chǔ)存電荷的“容器”，那就有“容量”大小的問(wèn)題，如何表征電容器的儲(chǔ)電能力？具體演示如下：

圖4 電容器充放電過(guò)程示意圖

(1)將單刀雙擲開(kāi)關(guān)S1撥到1處，在閉合開(kāi)關(guān)S2后可觀察到小燈泡L1先閃亮后逐漸熄滅，該現(xiàn)象表示電容器充電完成.

(2)小燈泡熄滅后將單刀雙擲開(kāi)關(guān)S1撥到2端，閉合開(kāi)關(guān)S5，可觀察到發(fā)光二極管開(kāi)始發(fā)光，同時(shí)石英鐘開(kāi)始走動(dòng)計(jì)時(shí).

(3)隨著時(shí)間的增加，發(fā)光二極管亮度逐漸減弱至熄滅，石英鐘停止走動(dòng)，該現(xiàn)象表示電容器放電完畢，石英鐘走過(guò)的時(shí)間能大致反應(yīng)電容器放電的時(shí)間，引導(dǎo)學(xué)生記錄該電容器放電的時(shí)間.

(4)按照同樣的操作步驟可分別再閉合開(kāi)關(guān)S3,S4，引導(dǎo)學(xué)生觀察不同電容器充電時(shí)小燈泡的閃亮程度，在放電過(guò)程中觀察石英鐘記錄的不同電容器的放電時(shí)間.可觀察到電路中接入的電容器的電容越大，充電時(shí)小燈泡會(huì)越亮；放電時(shí)，石英鐘走過(guò)的時(shí)間越長(zhǎng)，能反映出該電容器放電時(shí)間越久.

演示實(shí)驗(yàn)中通過(guò)石英鐘記錄不同容量的電容器放電時(shí)間，可以定性地分析電容器容量對(duì)電容器儲(chǔ)電能力的影響：充電電壓相同時(shí)，電容越大，電容器放電時(shí)間越久，即說(shuō)明其儲(chǔ)電能力越強(qiáng).理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的手段，幫助學(xué)生建立電容的概念.結(jié)合定性的實(shí)驗(yàn)方式對(duì)比不同容量的電容器放電時(shí)間，以間接描述電容器儲(chǔ)電能力的強(qiáng)弱，在演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中滲透控制變量的物理思想，促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建電容概念的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維.

2.2.3 趣味拓展 深化電容器的認(rèn)識(shí)

在學(xué)生學(xué)習(xí)完電容器的電容知識(shí)后，部分學(xué)生對(duì)電容器的了解停留在知識(shí)層面，原因是部分學(xué)生缺乏將電容器與生產(chǎn)生活聯(lián)系的經(jīng)驗(yàn).在本教具中，電磁炮作為趣味拓展物理實(shí)驗(yàn)，通過(guò)將炮彈(磁鐵釘)射出直觀地說(shuō)明電容器放電過(guò)程中釋放的電能可轉(zhuǎn)換成其他形式的能量被加以利用，同時(shí)，也是一個(gè)將物理知識(shí)應(yīng)用于生活實(shí)踐的具體案例.

(1)在電容器充電完成后，將單刀雙擲開(kāi)關(guān)S1撥到2端.

(2)閉合開(kāi)關(guān)S6，由于通電螺線管產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁鐵釘受安培力的作用后飛出(注：用有一定長(zhǎng)度的細(xì)繩綁住磁鐵釘，以制約磁鐵釘飛出的距離，避免磁鐵釘飛出后造成危險(xiǎn)).

(3)在電路中接入不同電容大小的電容器(C1,C2,C3)，電磁炮中的磁鐵釘飛出的距離不同.即電路中接入電容越大的電容器，放電時(shí)，電磁炮中的磁鐵釘飛出的距離越遠(yuǎn).

同時(shí)，可引導(dǎo)學(xué)生課后查閱資料思考：(1)電磁炮的工作原理；(2)電磁炮在生產(chǎn)和軍事中的發(fā)展與應(yīng)用；(3)電容器在生活中的其他應(yīng)用.該拓展實(shí)驗(yàn)的引入不僅能起到深化學(xué)生對(duì)電容器的認(rèn)識(shí)，還能促進(jìn)學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)際生活相聯(lián)系，可構(gòu)建知識(shí)間相互聯(lián)系.還可以此為啟發(fā)，促進(jìn)學(xué)生開(kāi)展其他內(nèi)容的科學(xué)實(shí)踐和教具設(shè)計(jì).

3 結(jié)束語(yǔ)

演示實(shí)驗(yàn)是物理課堂教學(xué)的重要組成部分，利用自制教具不僅能突破傳統(tǒng)電容器充放電實(shí)驗(yàn)的演示局限，還能增進(jìn)知識(shí)與生活實(shí)際的聯(lián)系.教具的教學(xué)作用與演示實(shí)驗(yàn)的目的和演示效果密不可分，同時(shí)也與教師的觀察指引和思維啟發(fā)相互呼應(yīng)[4，5].因此，教具的設(shè)計(jì)與使用需體現(xiàn)透過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察物理本質(zhì)的思想，并與一定的教學(xué)策略結(jié)合，合理發(fā)揮自制教具的功能，達(dá)到提升課堂教學(xué)效率，不斷豐富物理教學(xué)形式的目的.