《电容器的电容》教学中的几个实验设计，本文主要内容关键词为：几个论文,电容器论文,电容论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在人教版高中《物理·选修3-1》第一章静电场第8节内容《电容器的电容》的教学中，教材安排了两个实验：一是观察电容的充放电；二是探究影响电容器电容大小的因素。第一个实验比较容易成功，效果也还不错。第二个实验由于采用静电计进行探究，受空气湿度、器材绝缘、教师个人实验操作技能等因素的影响，往往成功率不高。加上学生对静电计的工作原理缺乏认识，无形中造成了认知障碍，实验本身难度较大，分析过程也困难，使得实验这种教学手段在本节课并没有充分发挥其作用。我们对这节课的知识点进行了重新梳理，根据教学需要，针对性地设计了几个实验，充实教材，方便教学。
电容器是电子学中极为常见的元件，种类形式多样，但其本质及工作原理基本相同。通过对教材的分析，我们把学生对电容器的认识分为四个过程：一是知道电容器是一种能储存电荷的元件；二是电容器的作用是通过不断的充放电过程实现的；三是电容器储存电荷的多少与充电电压电容器容量的关系，即充分理解电容的定义式C=Q/U；四是电容器的电容大小由元件本身决定根据这四个过程，我们对原有实验进行了改进，并重新为每个过程各设计了一个实验。现介绍如下，供教师们在教学设计时进行参考。
一、验证电容器能储存电荷
1.实验装置介绍
如图1所示：①平行板电容器；②用PVC塑料管制作的可调绝缘支架；③起电机；④能在竖直平面内转动的泡沫塑料条。
2.演示方法及实验现象
用导线把平行板电容器的两极分别连接到感应起电机的两个金属杆上，让起电机给电容器充电充电前，引导学生观察泡沫塑料条，此时应当处于竖直状态，如图1。摇动起电机给电容器充电，可以看到塑料条缓慢转动，最终处于几近水平状态说明平行板电容器的两极储存了电荷。
为了进一步说明是储存了电荷，也可以断开连接导线，用氖管的两端同时触及电容器的两极，可看到氖管有一瞬间的闪亮。
二、“看到”充放电过程
1.实验装置介绍
如下页图2所示，在一块竖放的面板上画好电路图，把红蓝两只LED发光二极管、470μF电容器鳄鱼夹（起单刀双掷开关作用）、电源接线柱装在面板表面，连接导线固定在面板的背面，制成一个用红蓝LED分别显示充电过程、放电过程的演示装置。
2.演示方法及实验现象
①演示充电过程。用两节干电池作电源，把鳄鱼夹接到面板中电源正极接线柱，接通电源，开始充电，可以看到电路中导通的二极管发红光，并由高亮逐渐变暗，随着充电结束，灯光熄灭，此时电容器的上端带正电，如下页图2a所示。断开电源，告诉学生，电容器现在已经储存了电荷。
②演示放电过程去掉电源，把鳄鱼夹接到电源符号右侧的接线柱，上方的蓝光二极管导通，电容器放电，LED发蓝光，由高亮逐渐变暗，随着放电结束，灯光熄灭，完成放电过程，如下页图2b所示。
说明：电源电压越高，所充电电压越高，初始发光越亮，但不要超过电容器的耐压值。电容器一般选用电解电容器，注意正负极。电容器电容越大，可观察到的充放电时间越长。发光亮度的变化说明电流大小的变化。用LED灯发光与电流表指针偏转相比，二者均能显示充电电流的变化，学生对前者更有生活经验，更乐于接受，这也是本实验设计要用LED代替电流表显示充放电电流的原因。
三、探究电容器储存电荷的多少与电势差、电容器容量的关系
1.实验装置（如图3）
这是一个根据已有的用时钟显示电容放电过程的自制教具，经过添加改进后的定量探究电容器储存电荷的多少与电势差、电容器容量的关系的实验装置，用秒针走的格数，显示电容储存电量的多少。面板上并联了三只容量分别为1000 μF、2200μF、3300 μF的电容器，每只电容器串接一只开关。准备两节干电池，可提供1.5 V、3 V充电电压。
2.实验方法及实验现象、结果分析
（1）探究电容器储存电量与电容大小的关系。充电电压保持1.5 V不变，依次使用三个电容充电放电，观察并记录指针走的格数。
把时钟的秒针拨到“0”秒处，接通1000μF的电容，单刀双掷开关拨到“充”位置，接上电源，充电5 s之后单刀双掷开关拨至“放”处，开始放电，秒针走时。放电结束，秒针停止，读出格数。
改用2200 μF电容器，重复以上过程，记录结果；再改用3300 μF电容器，重复以上过程，记录结果。
实验结果如表1所示，分析实验数据，三个电容器的电容之比为1000∶2200∶3300，秒针走的格数反映的储存电量之比为7∶14∶22，两者均非常接近1∶2∶3由此可以得出结论：在充电电压相同的情况下，电容器的储存电量与电容的大小成正比。
（2）探究电容器储存电量与充电电压大小的关系，使用同一只电容器（1000μF），依次用1.5 V3 V充电电压对电容器充电放电，观察并记录指针走的格数。方法同①，记录数据，实验结果如表2所示分析实验数据，可得出结论：保持电容器的容量不变，电容器的储存电量与充电电压（两极板电势差）的大小成正比。
说明：①有老师提出用三个1000μF的电容器并联，使用时只要其中的2个并联或者3个并联，就可以获得很确切的电容比值关系1∶2∶3，为什么要用1000∶2200∶3300的三只电容而取近似比值呢？这个想法固然不错，但我们设计实验时还是采用了本实验的配置，原因有二。一方面电容器的容量有5%的误差，精确的数据关系实际意义不大；另一方面电容器的串并联知识学生尚未了解，采用并联的方法来获得2000 μF、3000 μF的电容，不但影响实验的直观性，还人为增加实验的理解难度。
②研究充电电量与充电电压的关系时，电压的改变并不是无限制的，因为时钟的工作额定电压为1.5 V，超过额定电压三倍时钟不能正常走。
③基于以上两个方面的原因，我们认为，这是一个相对比较粗糙的定量探究实验，但能帮助学生加深理解且又不失问题的本质。
四、探究电容的大小与两极板间的正对面积S、两极板间的距离d和极板间的电介质ε的关系
（1）实验装置（如图4）
图中：①为平行板电容器两极板的距离调节杆，它与右金属板相连；②为两极板正对面积调节端，与左金属板相连，它可以以底座为圆心转动，并能停在任意位置；③多用大屏幕数字显示测试仪，可直接测量平行板电容器的电容，并以数字方式大屏幕显示，便于学生读数。
（2）实验演示方法
用导线将电容器两极板连接到测试仪端口，测试仪通电，选择电容测量挡2nF挡位。调整两极板使其正对，调整极板间距，当测试仪显示电容值为20pF左右时，开始实验。
探究正对面积对电容大小的影响：缓慢转动②，逐渐减小极板间正对面积，最后停在某个位置，观察测试仪电容示数。实验结果：正对面积减小，平行板电容器的电容值减小。
探究极板间距对电容大小的影响：保持两极板完全正对，调整①使其向右移，逐渐增大两极板间的距离，最后停在某个位置，观察测试仪电容示数。实验结果：两极板间的距离增大，平行板电容器的电容值减小。
探究电介质对电容大小的影响：调整两极板完全正对且间距适宜，记下测试仪示数。在两极板间插入纸、玻璃等不同电介质，可以观察到电容的大小随之改变。实验结果：平行板电容器的电容大小与极板间的电介质有关。
以上为《电容器的电容》这节课设计的四个实验，充分体现了实验设计的基本原则，即根据学生最熟悉的生活经验，用学生最易于接受的方式呈现实验现象，探寻物理规律，在实际教学中取得了非常好的教学效果。
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