注重實驗教學設計 提升科學思維能力
——以“探究電容器兩極板間電勢差跟所帶電荷量的關系”為例

王 濤

(南京師范大學附屬實驗學校，江蘇 南京 210023)

科學思維是物理學科核心素養的重要方面，在教學中教師應當引導學生在觀察、實驗的基礎上，通過科學推理和論證等得出結論，由此培養學生的科學思維能力。本文以“探究電容器兩極板間電勢差跟所帶電荷量的關系”的實驗教學為例，在教學設計和教學實施環節中運用“平分電荷量法”與“等效電容法”改進傳統實驗，提升學生的核心素養。

1 教材與學情分析

1.1 教材分析

2010年人教版高中物理選修3-1教材中直接給出電容器所帶電荷量Q與兩極板間電勢差U成正比的關系，簡單提及此關系可以用實驗證明，但具體的實驗方案在教材中未有提及。在 “做一做”欄目中讓學生用傳感器觀察電容器的放電過程，并以問題串的形式引導學生思考，發現電容器在放電過程中的i-t圖像下的“面積”具有特殊的物理意義，表征了電容器所帶的電荷量Q，并讓學生嘗試估算電容器的電容大小。

在2019年人教版高中物理必修第三冊中，在學生觀察到電容器充電過程中兩極板間電勢差U增大時電容器所帶電荷量Q也在增大的現象后，提出問題：電容器所帶電荷量Q與兩極板間電勢差U是否存在某種定量關系？并提供實驗方案指導學生進行實驗探究，定性得出結論：同一電容器所帶電荷量Q與兩極板間電勢差U成正比關系，并以Q與U的比值來表征電容器儲存電荷的特性。該教材引導學生經歷科學探究的過程，體會科學研究方法，加深對物理概念和規律的認識，增強學生的科學思維和實驗探究能力。

1.2 學情分析

在進行上述實驗之前，學生已經學習了常見電容器的構造，通過實驗觀察過電容器在充、放電過程中電流與電壓的變化關系，知道比值定義法，具備一定的實驗操作技能。高中生具有強烈的好奇心和求知欲，樂于探究自然界的奧秘，敢于堅持正確的觀點，樂于交流和分享自己的見解，團隊協作意識較強。但他們在實驗設計方法的優化選擇、實驗數據的收集與處理、實驗誤差的分析等方面還存在一定的困難。

2 教學目標

(1) 設計并改進實驗，探究電容器兩極板間電勢差與所帶電荷量的關系。

(2) 知道電容器所帶電荷量與兩極板間電勢差的比值表征電容器儲存電荷的特性，理解電容概念，知道電容的單位。

(3) 經歷實驗探究過程，體會科學研究方法，提高科學思維能力，在實驗探究過程中形成尊重實驗事實的科學態度。

3 實驗設計思路

本實驗的目的是探究電容器兩極板間電勢差跟所帶電荷量的關系，引導學生利用實驗探究兩個規律：(1) 同一電容器所帶電荷量Q與兩極板間電勢差U成正比關系；(2) 對于不同的電容器，這個比值一般是不同的，實驗設計思路如圖1所示。

圖1

3.1 實驗困境與傳統解決方法

在探究電容器兩極板間電勢差跟所帶電荷量的關系的實驗中，電容器兩極板間電勢差U通常可以直接用電表測得或用接入電路中干電池的數量表示，但電容器所帶的電荷量Q在現階段無法直接定量測得，這給實驗帶來了困難。在傳統的解決辦法中，教師們通常利用電容器在放電過程中得到的i-t圖像，以數格子或積分的方法得到圖像中圖線與坐標軸圍成的“面積”大小，以此來表示電容器所帶的電荷量Q，在一定程度上解決了無法直接測量電容器所帶電荷量的困境。

在教學中運用這個實驗方案時也存在一定的困難：(1) 需要采用傳感器進行實驗操作，學生缺乏切身的實驗操作體驗；(2) 無論采用數格子或積分的方法，數據處理的時間較長且存在較大的實驗誤差，無法在課堂教學過程中得出Q與U成正比關系的實驗結論。此個實驗方案往往作為教學延伸來證明實驗結論的正確性，難以作為探究性實驗在教學中開展。

3.2 實驗創新設計

在以上實驗設計過程中一直局限于想要得到電容器所帶電荷量Q的確切值，導致實驗設計陷入困境，是否可以改變這一思路？在實驗過程中是否可以只要定量控制電容器所帶的電荷量，而不需要得到具體的數值？在學生之前的學習過程中其實接觸過這種探究方法，在庫侖發現庫侖定律時，當時無法測量小球所帶電荷量Q的多少，他采用了平分電荷量的方法來進行實驗。學生可以遷移運用“平分電荷量方法”，定量控制電容器所帶的電荷量，以解決測量電容器所帶電荷量的實際困難，進行實驗設計。

(1) 實驗器材

干電池8節、電容器(470 μF 16 V)2只、單刀單擲開關1只、單刀雙擲開關1只、數字萬用表1只、導線等。

(2) 實驗設計

圖2

為解決測量電荷量的實際困難，遷移庫侖“平分電荷量的方法”，定量控制電容器所帶的電荷量，引導學生利用所給實驗器材，設計實驗(圖2)，并正確連接電路。

(3) 實驗操作

表1

3.3 問題延伸與解決

對于不同的電容器，電荷量Q與電勢差U的比值一般是不同的，如何用實驗來說明？類比“等效電阻”的思想，在實驗操作中可以將兩只完全相同的電容器等效為一只電容器，兩只電容器所帶電荷量的總值可以看作等效電容器所帶的電荷量Q，兩只電容器兩端的電勢差為等效電容器兩端的電勢差U，并與單獨的電容器進行實驗數據比較，證明對于不同的電容器，電荷量Q與電勢差U的比值一般不同。

4 課堂實錄

師：我們用實驗的方法來探究電容器所帶電荷量與兩極板間電勢差的關系，需要測出電勢差和電荷量兩個物理量。如何測出電容器兩極板間電勢差？

生：可以通過電壓表進行測量。

師：電容器兩極板間電勢差可以利用電壓表直接測量，那如何測量電容器所帶的電荷量呢？有沒有實驗工具可以直接測出？

生：沒有。

師：用什么方法可以得到電容器所帶電荷量？

生：可以利用i-t圖像中圖線和t軸圍成的“面積”。

師：在觀察電容器放電的過程中得到i-t圖像，其圖線和t軸圍成的“面積”具有特殊意義，為電容器所帶的電荷量。但在課堂上我們沒有時間多次測量，那么有沒有其他方法可以測得電容器所帶電荷量呢？或者，我們可以換一個思路，在進行實驗時，是否一定要測量出所帶電荷量的多少呢？

生：不一定。

師：我們可以不用知道電容器所帶電荷量多少，是否可以定量控制電容器所帶的電荷量？如何設計實驗？在之前的學習中，我們有沒有學習過這樣的方法？

生：在學習庫侖定律的時候，我們不知道小球所帶電荷量是多少，是用兩個完全相同的小球不斷去接觸、平分電荷量的方法來進行探究的。

師：是否可以進行方法遷移，能不能用平分電荷量法來定量控制電容器所帶電荷量的多少？需要什么樣的實驗器材呢？

生：需要兩只完全相同的電容器、電源、開關、電壓表、導線等。

師：為減小測量電容器兩端電壓時電壓表支路放電的影響，建議使用數字萬用表的電壓擋，其內阻為10 MΩ，可不考慮電壓表支路的放電。請同學們進行實驗設計，完成實驗，并在表1中記錄實驗數據。

生：電荷量和電勢差兩者的比值相同。

師：對于同一只電容器而言，電容器所帶電荷量與兩極板間電勢差成正比關系。我們剛才做了多組實驗，但是用的都是同一型號的電容器。對于不同的電容器，電荷量與電勢差是否也存在這樣的關系，它們的比值是否不同呢？我們現在擁有的實驗器材是兩個完全相同的電容器，有沒有辦法得到不同的電容器呢？

生：可運用等效方法，像等效電阻一樣。

師：有同學提到等效電阻這一概念，我們可進行方法遷移，將兩只電容器并聯，然后把它們等效成一只電容來進行實驗探究。我們可以利用剛才的實驗設計，閉合開關S1至2端時，兩只電容器就并聯了，可以將它們等效看作一個電容器，直接測得此時C1兩端的電壓，即為等效電容器兩端的電壓了，請同學們再次進行實驗探究。

生：對于同一只電容器，所帶電荷量與電勢差成正比關系，不同電容器的比值一般是不同的。

師：剛才的實驗說明：電容器所帶電荷量與兩極板間電勢差的比值具有物理意義，我們將此比值定義為電容。

5 實驗教學效果評價與反思

為發展學生的科學思維能力，在教學過程中應注重對科學思維方法的總結、歸納和遷移。類比法是重要的科學思維方法，在面對探究電容器兩極板間電勢差與所帶電荷量的關系中出現的困難時，可以進行方法遷移。基于庫侖定律的發現及等效電阻的類比，指導學生采用平分電荷量方法定量控制電容器所帶的電荷量，引導學生進行實驗設計與操作，探究發現同一電容器所帶電荷量與兩極板間電勢差成正比關系，并以兩者的比值定義電容器的電容，表征電容器儲存電荷的特性，再以等效電容的模型運用實驗說明對于不同的電容器，這個比值往往不同，來幫助學生加深對電容的認識與理解。