指向深度學(xué)習(xí)的高中電容實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

丁文俊

摘要：改進(jìn)“探究影響平行板電容器電容大小的因素”實(shí)驗(yàn)的裝置，讓實(shí)驗(yàn)效果更明顯、易于操作，避免了漏電、靜電計(jì)本身也是電容器以及操作繁瑣等問題。借助數(shù)字式多用表測量不同形態(tài)自制電容器的電容，學(xué)生對“任何兩個(gè)彼此絕緣又相距很近的導(dǎo)體，都可以看成一個(gè)電容器”的理解更深刻，真正掌握電容器概念。通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行探究和測量自制不同形態(tài)電容器的電容，有利于實(shí)現(xiàn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，提升物理核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：電容實(shí)驗(yàn) 深度學(xué)習(xí)

一、思考

教材中探究影響平行板電容器電容大小的因素實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用兩塊20cm直徑的金屬圓板與靜電計(jì)并聯(lián)，通過接觸讓平行板電容器帶上電荷，再采用控制變量法，研究正對面積、間距以及兩板間電介質(zhì)對電容大小的影響。該實(shí)驗(yàn)裝置存在以下不足：受天氣影響明顯，潮濕天氣時(shí)漏電明顯;插入常用固體介質(zhì)時(shí)，靜電計(jì)張角變化不明顯;插入水介質(zhì)時(shí)，又存在諸多不便;靜電計(jì)本質(zhì)也是一個(gè)電容器，實(shí)際上靜電計(jì)張角反映的是兩個(gè)電容器并聯(lián)后的情況;需要通過靜電起電機(jī)產(chǎn)生電荷，讓平行板電容器帶上電;操作繁瑣，開展學(xué)生小組實(shí)驗(yàn)較困難，致使學(xué)生探究熱情不高。教材僅用一句話指明“任何兩個(gè)彼此絕緣又相距很近的導(dǎo)體，都可以看成一個(gè)電容器”，而且出現(xiàn)的電容器都是不同型號(hào)的廠家標(biāo)準(zhǔn)電容器。筆者通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置、自制電容器以及更改測量電容大小的方式，解決以上提到的教與學(xué)困難。

二、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)之處

1 ?借助數(shù)字多用表替代靜電計(jì)檢測電容大小

數(shù)字式多用表主要利用電容器的充放電特性，進(jìn)行電容大小的測量。本實(shí)驗(yàn)采用勝利VC890D數(shù)字多用表（如圖1）。在電容檔位中，最小量程6nF，最大量程20mF，該多用表系統(tǒng)根據(jù)被測值自動(dòng)調(diào)節(jié)量程。當(dāng)量程為6nF時(shí)，分辨力為1pF。由于引線和儀表的分布電容影響，未接入被測電容器時(shí)，多用表有些殘留讀數(shù)。在小電容測量時(shí)較為明顯，將測量結(jié)果減去殘留讀數(shù)，得到即較為準(zhǔn)確的讀數(shù)。

借助數(shù)字式多用表替代靜電計(jì)，可直接讀出電容值大小，不需要對被測電容器手動(dòng)充電，不需要考慮漏電情況，可測量微小值電容，還排除了靜電計(jì)作為并聯(lián)電容對測量的影響。

2 ?自制懸掛式平行板電容器，探究影響平行板電容器電容大小的因素

2.1 自制創(chuàng)新教具介紹

選用高度可調(diào)節(jié)的2個(gè)三腳架和1根不銹鋼管作為實(shí)驗(yàn)支架，兩平行金屬板采用2mm厚、直徑0.7m的圓鋁板（如圖2），鋁板上固定有亞克力板制作的掛扣（如圖3），且鋁板上安裝有外接線頭，接線頭端使用鱷魚夾。亞克力材料制作的圓柱體透明容器（如圖4），用于注入去離子水，厚度43cm，直徑70cm，同樣固定有掛扣。人教版3-4中提供的幾種常用電介質(zhì)的相對介電常數(shù)如表1，其中水的相對介電常數(shù)最高，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象最明顯。生活用水含有較多礦物質(zhì)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果不理想。筆者采用電導(dǎo)率大于 、電阻率大于 的去離子水替代普通的純凈水。將去離子水注入平行板之間的容器時(shí)，兩板的電容值明顯發(fā)生變化。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

自制創(chuàng)新教具，勝利VC890D數(shù)字多用表（電容檔位）

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

①安裝實(shí)驗(yàn)裝置（如圖5）。懸掛好兩塊平行板電容器。多用表旋至“20mF”檔位，記錄由于引線和儀表的分布電容的引起的殘留數(shù)據(jù)，為0.075nF。在后面的實(shí)驗(yàn)操作中，盡量保持電容器兩根引線的相對位置不變。將多用表正負(fù)極與兩平行鋁板上的接線頭連接。

②保持兩板間距d不變，改變正對面積S。通過旋轉(zhuǎn)其中一塊鋁板，來改變正對面積。兩板間距是20cm時(shí)，從正對旋轉(zhuǎn)過900過程中，電容值逐漸減小（見表2）。

③保持正對面積S不變，改變兩板間距d。通過水平移動(dòng)其中一塊鋁板，來改變兩板間距。兩板間距從5cm增加到30cm過程中，電容值逐漸減小（見表3）。

④保持正對面積和兩板間距不變，改變電介質(zhì)。在兩鋁板之間懸掛圓柱體容器，注入去離子水，電容值逐漸增加（見表4）。V為內(nèi)部空腔的體積。

2.4 結(jié)論.

平行板電容器的電容與兩板的正對面、距離以及電介質(zhì)有關(guān)。d不變，S減小時(shí)，C變小;S不變， d減小時(shí)，C變小;保持d和S不變，改變電介質(zhì)時(shí)，C發(fā)生變化。

3 ?利用數(shù)字多用表測量不同形態(tài)的自制電容器，深度理解電容器概念

測量聚苯乙烯電容器、電解電容器、可變電容器等常規(guī)電容器外，再進(jìn)行測量其它形態(tài)的自制電容器。

說明：導(dǎo)線采用中策RVV2*1型號(hào)電線，兩位同學(xué)為高中生，錫箔紙長46cm寬30cm。本實(shí)驗(yàn)不需要定量計(jì)算，但測量電容值，學(xué)習(xí)者能深刻理解電容器。

三、結(jié)語

通過改進(jìn)“探究影響平行板電容器電容大小的因素”的實(shí)驗(yàn)裝置和測量電容值的方法，實(shí)驗(yàn)效果明顯、更易于操作，避免了漏電以及靜電計(jì)本身也是電容器等的影響。測量廠家生產(chǎn)的常規(guī)電容器以及不同形態(tài)的自制電容器，學(xué)生能深刻理解“任何兩個(gè)彼此絕緣又相距很近的導(dǎo)體，都可以看成一個(gè)電容器”，掌握電容器的本質(zhì)屬性。通過實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，使得該實(shí)驗(yàn)具有學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的可操作性，將演示實(shí)驗(yàn)變?yōu)閷W(xué)生實(shí)驗(yàn)。該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能更多的接觸、感知和體驗(yàn)物理探究過程，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，不斷提升物理核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]傅寶川.探究平行板電容器電容影響因素的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].湖南中學(xué)物理，2019，34（09）：95-96.

[2]張亞茹，孟秀蘭，尹哲.“探究平行板電容器電容大小影響因素”實(shí)驗(yàn)之改進(jìn)[J].物理教師，2016，37（07）：50-51.

[3]賴君，張軍朋.“電容器的電容”演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和教學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].物理通報(bào)，2018（02）：73-76.