自制多功能電容器充放電探究儀①

王修權

(甘肅省永昌縣第一高級中學，甘肅 金昌 737200)

“電容器的電容”教學中的演示實驗主要展示電容器的充、放電過程，是學生了解電容器的重要途徑與載體。根據教科書中的電容器充電、放電示意圖(圖1)設計探究性實驗，使學生對電容器的認識更加具體與豐富，在教學中利用電容器、發光二極管、石英鐘、開關等元件自制教具，用以演示與電容器有關的實驗,通過實驗探究幫助學生建構電容的概念。

圖1

1 制作材料與電路設計

制作材料：電源、電解電容器3只、發光二極管2只、石英鐘、開關、導線若干。

電路設計：如圖2所示,E1、E2、E3的電動勢分別是3V、4.5V、6V，K是單刀雙擲開關，D1、D2是黃色發光二極管和綠色發光二極管，電解電容器C1、C2、C3的規格分別是：“1000μF 45V”“1000μF 35V”“6.8μF 45V”，K1、K2、K3是對應電容器的控制開關，石英鐘與相應二極管和電容器構成回路，圖3為實物電路。

圖2

圖3

2 探究實驗過程

2.1 探究充電電流的方向

(1) 實驗操作

閉合開關K1，接通6V電源，將單刀雙擲開關K置于4。

(2) 實驗現象

黃色二極管D1發光，并逐漸變暗直至熄滅。

(3) 實驗結論

回路中有電流且逐漸減小，說明電容器C1正在充電。

2.2 探究放電電流的方向

(1) 實驗操作

閉合開關K1，斷開電源，將單刀雙擲開關置于5。

(2) 實驗現象

綠色二極管D2發光并逐漸變暗直至熄滅，石英鐘的秒針轉過幾個小格。

(3) 實驗結論

回路中有電流且逐漸減小，說明電容器C1正在放電。

2.3 定性探究電容器充電量與電壓的關系

(1) 實驗操作

閉合開關K1，接通6V電源，將單刀雙擲開關置于4，C1充電結束后，將單刀雙擲開關置于5，讓其放電，實驗中注意觀察兩個二極管發光的亮度、發光時間、石英鐘秒針的轉動格數。重復上述步驟，依次將電源接至4.5V和3V,比較不同電源下的二極管發光的亮度、發光時間、石英鐘秒針的轉動格數。

(2) 實驗現象

電源電壓越小，二極管的發光亮度越弱，發光時間變短，石英鐘秒針的轉動格數變少，接3V電源時，秒針幾乎不轉動。

(3) 實驗結論

對于同一個電容器，充電電量與充電電壓有關，充電電壓越大，充電量越多，反之則越少。

2.4 定性探究同一電壓下不同電容器的充電量

(1) 實驗操作

按照2.3中的探究電容器C1充電量與電壓的步驟，依次將電容器C1、C2、C3用6V電源充電后，讓其放電，比較不同電容器在利用同一電源充電情況下的二極管的發光亮度、發光時間及石英鐘秒針的轉動格數。

(2) 實驗現象

用C1、C2時二極管的發光亮度和發光時間及石英鐘秒針的轉動格數基本相同，與C1、C2相比，用C3時二極管的發光亮度和發光時間要小得多，石英鐘秒針不轉動。

(3) 實驗結論

表明電容器的充電量不僅與充電電壓有關，還與電容器本身有關。

2.5 定量探究電容器帶電量與電壓之間的關系

(1) 實驗操作

將電容器C1用6V電源充電后，用數字萬用表的電壓擋測出電壓；再取一只與電容器C1完全相同的電容器C4，將C4的兩極與C1兩極接觸后分開，用數字萬用表的電壓擋再測出C1的電壓；將C4的兩極用導線接觸后讓其完全放電，再將C4的兩極與C1兩極接觸后分開，用數字萬用表的電壓擋再測出C1的電壓。

(2) 實驗現象

當電容器電量減半時，電容器兩極間的電壓也減半；當電容器電量減為四分之一時，電容器兩極間的電壓也減為四分之一；當電容器電量減為八分之一時，電容器兩極間的電壓也減為八分之一。

(3) 實驗結論

電容器的帶電量與電容器兩極間的電壓成正比。

4 創新之處

本教具的創新之處為：(1) 現象明顯，操作簡單；(2) 本教具中的電源用4節干電池即可，輕巧易搬動；(3) 更換維修簡單方便。本教具中二極管的接線采用插孔式接線方式,因此,更換二極管非常方便。