自制電容器充放電演示器增強對電容器的作用的理解

孫莉

摘要：電容器有儲存電荷的作用，在充電放電過程中電荷發生定向移動，形成短暫通電的過程，教材中利用電流計指針不同方向的偏轉將這個過程展現了出來，自制教具改用直流電機和二極管也展現了充電和放電過程不同方向的電流。

關鍵詞：自制教具;電容器;充電放電

1 背景

新一輪教材已經開始使用，教材中對實驗教學更加重視。電容器作為身邊常見的電子元件，教材中處理充電和放電過程實驗的要求從原來的演示實驗改為分組實驗，目的是讓學生通過實驗操作觀察兩個過程中電流是不同方向的，對電容器在生活中作用也能有所了解。

2 電路的設計

教材中設計的電路如圖所示，開關撥到1時給電容器充電，撥到2 時給電容器放電，通過觀察電流表的指針偏轉方向的變化判斷兩個過程電流方向的不同，觀察電壓表的讀數尋找電容器兩端的電壓的變化規律。在實際操作過程中如果電容器容量不是很大，充電放電過程進行的很快，學生還沒有反應過來，實驗現象就已經結束了。還有電路中雖然有電阻保護，但要觀察到明顯現象，一般阻值都不太大，反復操作幾次，電池消耗很快，不利于環保。

最初我設計了如圖1將電容器與直流電機和兩組二極管串聯電路，充電和放電過程理論上可以觀察到電機的轉動和一側二極管的點亮，并且轉動逐漸變慢和亮度降低。但實際操作過程發現由于電機和二極管的工作電流并不匹配，兩者并不能同時工作，所以改成圖2形式的電路，兩個按鍵開關分別控制電動機和二極管，觀察在電容器充電以及放電過程中電動機的葉片轉動方向和指示燈的亮暗，從而表明兩個過程中電流的方向。

3元器件的選擇

要使得實驗效果明顯，電容器的容量需要較大，市面上電解電容器的容量有幾千微法，但是電解電容器中間的絕緣介質是鋁箔浸在電解液中進行陽極氧化處理后生成的一層三氧化二鋁薄膜，只有在電容器的正極接電源的正極，負極接電源的負極時，氧化鋁膜才能起到絕緣介質的作用。如果將鋁電解電容器的極性接反，氧化鋁膜就變成了導體，在反向接通電壓足夠大時也會導通時。在多次比較之后，我選擇了額定電壓低為2.7V、容量為0.5F的法拉電容，充電時一般電池組就可以作為電源了。

電動機的功率不能太大，玩具里拆下來的小電動機就可以了。由于單個二極管連入電路時，電流可能會過大損壞二極管，我用了3個高亮二極管和一個小電阻并聯。

實驗過程中由于不停調試，操作頻繁，電池組的電量很快就會消耗完，我利用一個充電寶作為電源，可以反復使用，也大大節約了成本。

4 實驗改進目的

課堂教學中，教師告訴學生電容器是一種容納電荷的容器，充電過程和放電過程可以通過電流計指針的偏轉來判定電流的方向不同，對電容器容納電荷的本領理解不深刻。儀器改進后，充電時，電動機葉片轉動方向和一組二極管指示燈亮起表示電流的方向，還可以看到葉片旋轉逐漸變慢以及二極管亮度減弱，也同時說明充電快完成時電流減弱，停留一會后將單刀雙擲開關撥向另一側，電動機葉片反向轉動或者另一組二極管指示燈亮起，表明電流與剛才方向相反。

在后面學習電容器在交流電工作時會學到“隔直通交”這個概念，學生往往會以為直流電源就不能使電容器工作，通過實驗操作觀察電動機葉片旋轉和二極管的發光能夠體會充電放電過程電路中電流和能量的變化，其實直流電是指方向不變化的電流，但當電流大小在發生改變時，加在電容器兩端的電壓也在不停發生改變，電容器的充電和放電行為其實就一直在進行。只有在穩恒電壓的情況下，電容器完成充電后兩端電壓與電源電壓相等，不再進行充電和放電活動，平時所說的“隔直通交”僅僅是對穩恒電壓而言，而穩恒電流只是直流電的一種，不能籠統地說電容器對直流電有隔斷作用，實際應理解為“隔穩通變”，只要電容器兩端電壓發生變化，充放電就一直進行。

5演示效果

如圖制作成演示教具面板，將復雜的接線全部放在面板后面，電源與接線柱相連，將單刀雙擲開關接通準備給電容器充電，打開與小電動機串聯的按鍵開關，葉片發生轉動可以持續將近二十秒，轉動的最后幾秒可以清晰判斷葉片轉動方向，再將單刀雙擲開關接通另一側給電容器放電，觀察葉片轉動的方向，在其中兩個葉片上涂上兩種顏色，可以比較清晰的看到葉片轉動的方向。關閉和電動機串聯的按鍵開關，接通與二極管串聯的開關，重復給電容器充電和放電的過程，利用二極管單向導通的特性判斷電流方向，這個現象也能持續二十秒以上，留給學生足夠的時間思考。

6小結

由于采用了身邊常用的元器件進行工作，實驗結束后可以拓展到超級電容器、電動汽車行業的工作，激發學生的學習熱情，同時思考充放電過程的電流變化，以及回顧在剛才操作充電過程和放電過程中兩段時間是否完全相同，不同的原因又是因為什么？在新一輪課改中特別要求對學生科學探究能力的培養，只有在具體實踐中才能不斷發現問題，解決問題，綜合能力才會得到不斷提升。

參考文獻：

[1].沈金林.基于核心素養導向的物理實驗教學思考 [J].物理教學，2018，40（11），23-26.

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