恒流電源在電容定義教學中的應用

摘要：現行的人教版高中《物理·選修3-1》對電容作了如下定義：電容器所帶的電荷量Q與電容器兩極板間的電勢差U的比值，叫做電容器的電容。本文設計了一種恒流電源為電容器充電，在充電過程中監控電流大小以計算電容器充電量，利用電壓表測量電容器兩端電壓，最后分析充電量和電壓數據，從而得到電容的定義。

關鍵詞：恒流電源;電容定義;定量分析

電容器是社會生活中極為常見的電子元件，盡管它的種類和形式繁多，但各種電容器的工作原理都是相同的。現行的人教版高中《物理·選修3-1》第一章《靜電場》對電容作了如下定義：電容器所帶的電荷量Q與電容器兩極板間的電勢差U的比值，叫做電容器的電容。傳統的課堂教學，教師大多把電容器能夠容納電荷的多少，形象地類比容器裝水，以此分析電容器的充電、放電與容器的儲水放水的聯系，但是學生依舊對電容器的物理模型與工作機制認識模糊。

為使學生能夠深刻地理解電容的概念，本文介紹了一種可以進行定量分析的演示教具，學生可以從邏輯上更好地接受電容定義的描述。

一、儀器電路圖

實驗裝置如圖1示，虛線框內是由9V方電池、電位器R1、三極管、發光二極管、定值電阻R2構成的恒流電源電路，電容器是待測的，微電流傳感器用于監測充電電流，電壓傳感器用于測量電容器的電壓，開關用于控制電容器充電。調節R1可得到不同的恒定電流，R2起限流作用，防止發光二極管燒毀。

二、實驗原理

實驗原理是根據Q=It，只要測出充電電流的大小和充電的時間，即可得出電容器所帶的電量Q，再通過電壓表測量電容器充電后的電壓U，通過觀察Q與U的比值說明電容器所帶電量與電容器兩極間的電勢差成正比。本教具可以演示的實驗內容包括電容器所帶的電荷量與電容器兩極間的電勢差成正比，其比值是一個常量。

三、教具制作方法

材料準備：木板一塊，微電流傳感器，電壓傳感器，9V電池一個，100kΩ電位器一個，220Ω電阻一個，綠光LED一只，三極管一只（s9012），電容器兩只，船形開關一只，香蕉插頭兩對，木盒一個。用軟件在電腦上畫好電路圖，然后用激光雕刻機將電路圖刻到木板上，做成教具的面板。

將元件安裝到面板上的相應位置，注意發光二極管的正負。用導線將各元件按照電路圖的連接關系連接起來，各個連接點也用用熱熔膠固定，以防松脫。裝上電池，接入待測電容器，測試充電電流是否可以調節，電容器電壓是否可以測量。測量完成后，將面板放入木盒中，完成安裝?。

四、使用方法

1.調節充電電流：將待測電容器接入電路板，閉合開關，調節電位器R1，使充電電流達到100μA。

2.電容器放電：開關保持斷開狀態，將待測電容器兩極短路使其充分放電，然后再接入電路中。

3.測量數據：接入電壓傳感器，設置電壓傳感器采樣時間為10秒，即閉合開關后每10秒鐘記錄一次電壓值。

4.將測量的數據記錄到表格中。

更換另一個電容器重復上述步驟，分析數據，總結結論。

五、實驗結論

通過上述操作，我們可以總結以下結論：

在誤差允許的范圍內，電容器所帶的電荷量與電容器兩極間的電勢差成正比，其比值是一個常量。

對于不同的電容器，這個比值不同。

六、總結

諸多電容器的演示實驗中僅對電容器做了定性分析，本實驗可以引導學生對電容器進行定量分析，通過實驗直接得出電容器的電容量，讓學生體驗科學探究的過程。本教具結構簡單、取材容易，操作方便，采用電流和電壓傳感器，采集數據方便準確，能讓學生從實驗的方法學習電容的概念，有利于培養學生的實驗操作技能和科學精神。

參考文獻

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[2]龔文軍.“電容”定義的創新教學設計.數理化解題研究[J]：2018（18）.

[3]王旭.電容定義式的探究性教學設計及實錄.實驗教學與儀器[J]：2016（5）.

作者簡介：姓名：楊杰（1984-），性別：男，民族：漢族，籍貫：廣西桂平，學歷：本科，學士學位，職稱：實驗師，主要研究方向：物理學