電容器充、放電實驗的可視化設計探討

徐國華

人教版高中《物理》（必修三）教材中觀察電容器充、放電實驗現象的缺點有：較難直觀反映電容器儲能功能；電流、電壓的變化數據記錄困難；電路漏電對實驗效果的影響較大。我們改進電路結構，更新數據測量手段，更換新規格電容器，解決電容器漏電問題，使得電容器和電容的概念生成更加自然、科學。

一、實驗原理

電路圖如圖1所示，單刀雙擲開關S1與開關S2共同控制電容器C1充、放電；單刀雙擲開關S1與單刀雙擲開關S3共同控制電容器C2充、放電；小燈泡亮度反映電容器充、放電過程中電流大小，間接反映電容器兩端電壓大小，通電時長反映電容器儲存的電量。此實驗可用電流、電壓傳感器實時測量并記錄相關電學量。

二、實驗器材

木板2塊、T型線夾8個、XT90插頭、銅導線、紅黑接線柱8個、電池盒1個、單刀雙擲開關（S1、S3）4個、開關（S2）2個、小燈座（L）2個、2.5V小燈泡2個、電池盒2個、干電池4節、電容器（2.7V 1F1個、2.7V 2F1個、16V 1000μF2個），多量程電壓傳感器1個、多量程電流傳感器1個、傳感器數據采集器1個、木螺絲若干、電鋸、手電鉆、剝線器等。

三、制作過程

在木板正面繪制電路圖，后將相關元器件擺放到相應位置，用手電鉆在相關元件下方打好接線孔，將銅導線固定在相關元件接線柱上，并穿過接線孔；將XT90插頭的公頭與導線進行焊接，將紅線焊在正接線柱上，藍線焊在負接線柱上，將公頭連接到電路中，紅色導線靠近電源正極，藍色導線靠近電源負極，再將4個電容器分別焊接在4個母頭上（電容器的正、負極與插頭的正、負極相對應）；在木板背面按照電路圖用T型接線器連接好電路，并用木螺絲固定好，定性分析成品如圖1所示，定量分析成品如圖2所示。

四、定性觀察電容器充、放電現象

實驗操作：斷開S3，閉合S2，開關S1電鍵撥到1位置。電容器C1充電，電容器C2不工作。

觀察到現象：燈泡亮度越來越暗，最終熄滅。

現象分析：實驗表明電路中電流逐漸變小，可能有兩種原因：（1）電容器是可變電阻，電阻越來越大，導致電流越來越小。（2）電容器是儲電容器，與電源并聯，隨著電量增加，電容器的兩端電壓越來越大，電源正極與電容器正極間電壓減小，電路電流減小。

論證思路：將開關S1撥到2位置，保持其他操作不變，燈泡亮，這個現象為電容器放電現象。此現象否定結論（1），支持結論（2），電容器是一種能儲存電荷的儲能裝置。

實驗表明：電容器在放電過程中通過燈泡的電流減小，電容器兩端電壓減小，電容器儲存的電量減少，電容器帶電量與電壓有關。

五、定量觀察電容器儲存的電荷量影響因素

實驗操作：在圖2中將電流傳感器串聯在接線柱5、6之間，測量電容器C1充、放電電流，電壓傳感器與接線柱7、8連接，與電容器C1并聯。斷開S3，閉合S2，開關S1撥到1位置，電容器C1充電；開關S1撥到2位置，電容器C1放電。

傳感器特點：電流從電流傳感器正接線柱（紅）流入，負接線柱流出，電流為正，反之為負；電壓傳感器正接線柱（紅）接正極，負接線柱接負極，電壓示數為正，反之為負。

觀察到現象：電壓和電流傳感器收集到的數據如圖3左側部分所示，電流傳感器記錄的電流逐漸減小，電壓傳感器記錄數據逐漸增大，當電流傳感器示數接近零時，電壓傳感器的示數逐漸穩定，趨近于電源電動勢。放電現象記錄的數據如圖3右側部分所示，電流傳感器記錄的數據顯示電流逐漸減小，電壓傳感器記錄的電容器兩端電壓逐漸減小。當電流傳感器示數為零時，電壓傳感器示數為零。

實驗優點：用傳感器記錄數據可以直觀地顯示電容器兩端電壓與電路中電流的大小及方向關系。

探究電容器儲存的電荷量與電壓的定量關系：將電容器C1和C2換成相同規格電容器（16V 1000μF），電壓傳感器連接接線柱9、10，與電容器C2并聯，開關S2閉合，開關S3撥到3位置，開關S1撥到1位置，對兩個電容器同時進行充電，充電結束斷開S1。開關S3撥到4位置，電容器C2放電，放電時長20s左右，再將開關S3撥到3位置，電容器C1對電容器C2進行充電，充電10s左右，傳感器實時記錄電容器兩端電壓。根據均分原理，電容器C1帶電量只有原來一半。重復上述操作，實驗結論如圖4。

實驗表明：相同電容器所帶電量與電容器的電壓成正比，即Q∝U。若將上述關系寫成等式，則電容器所帶電量與電壓關系：Q=CU（C為常量）。

六、電容概念構建

將電容器C1換為規格2.7V 2F，C2換為規格2.7V 1F。開關S2閉合，將S3撥到3位置，將S1撥到1位置，同時充電至穩定狀態，兩個不同規格的電容器具有相同電壓，將開關S3斷開，開關S1撥到2位置，先對電容器C1放電；電容器C1放電結束，再將開關S2斷開，開關S3撥到3位置，對電容器C2進行放電。

實驗現象：比較兩次電容器相同電壓情況下放電時長，電容器C1放電過程中燈泡亮時長約26s，電容器C2放電過程中燈泡亮時長約16s，說明電容器C2儲存的電量少。

實驗表明：電容器儲存的電量與電容器的自身性質也有關。

通過上述分析可知，不同規格電容器的常量C值不同， C值反映的是電容器自身存儲電荷本領大小的物理量，只與電容器自身性質有關，與儲存電荷量以及電壓大小無關，把它稱為“電容”。

七、實驗創新之處

電路直觀。將電路進行重新設計為圖1所示線路板，便于學生觀察、理解。

現象明顯。采用電容為1F左右的電容器進行充、放電演示，在電路中串聯小燈泡，通過小燈泡發光的強度和時長分析電容器的帶電量、電壓以及說明電容器具有能量，現象明顯，說服力強。

實驗精準。采用16V 1000μF大電容進行研究電容器的電壓與電量關系，充、放電快，用傳感器采集數據，可以做到精準。重新設計電路，改變電壓傳感器位置，解決電壓傳感器漏電影響。延長放電時間，減少電容器“剩電”影響。

（作者單位：江蘇省吳江高級中學）

責任編輯：王 燕