徐海龍

(溫州中學(xué) 浙江 溫州 325000)

1 引言

新課程的實施，對物理教學(xué)提出了更高的要求，探究式教學(xué)要求學(xué)生用自己的眼睛去觀察自然，用自己的思維去剖析現(xiàn)象與數(shù)據(jù)，從而達(dá)成對自然規(guī)律總結(jié)與理解．這種探究式教學(xué)的過程，對物理實驗提出了更高的要求，許多物理概念和規(guī)律需要通過精確的實驗探究才能得到.現(xiàn)行新課標(biāo)高中物理教材多處出現(xiàn)運(yùn)用數(shù)字化實驗系統(tǒng)(DIS)進(jìn)行實驗探究的課題，這不僅是實驗教學(xué)方式的變化，更是對新課程教學(xué)理念的貫徹和落實，使得物理教學(xué)回歸到認(rèn)識自然本質(zhì)的科學(xué)道路上來．因此教師在實施課程的過程中，依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合學(xué)科知識特點對既定的教材內(nèi)容和實驗進(jìn)行適度加工整合，充分利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)進(jìn)行實驗教學(xué)的重構(gòu)，從而使之更好地適應(yīng)具體的教育教學(xué)情景和學(xué)生的學(xué)習(xí)需求．

2 問題的提出

在新課標(biāo)高中物理《選修3-1》(人教版)“電容器的電容”一節(jié)的學(xué)習(xí)中，教材用了抽象的文字配合示意圖對電容器的充放電進(jìn)行描述，學(xué)生對于這個關(guān)鍵過程缺乏直觀感性的認(rèn)識，從而造成認(rèn)知障礙；另一方面，教材對電容這個重要物理量的引入更是基于條件限制只作了一般的敘述，學(xué)生理解更是困難重重．當(dāng)然，教材編寫者注意到了這點，所以在“做一做”欄目中，介紹了使用DIS觀測電容器的放電曲線，這種借助計算機(jī)系統(tǒng)先進(jìn)、直觀、正在科技領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的實驗方法對學(xué)生掌握現(xiàn)代科學(xué)研究方法具有重要的啟蒙意義．

但遺憾的是，教材設(shè)計的電路對觀察充放電過程的電流方向缺乏直觀感受，也沒有說明電路中的電阻應(yīng)選多大的阻值，導(dǎo)致很多教師無法成功完成實驗，更沒有將計算機(jī)擁有強(qiáng)大的計算功能引入電荷量的計算中，而是仍然采用傳統(tǒng)“數(shù)格字計算面積”的粗略方法，這是對采用DIS進(jìn)行實驗研究一種不全面的應(yīng)用．為此，本文結(jié)合高中課堂教學(xué)實際，設(shè)計了詳實、簡便而高效的實驗電路示教板，并具體介紹了DIS系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)后的后續(xù)處理，從而讓學(xué)生直觀感性地觀察到實驗現(xiàn)象，進(jìn)而更深刻認(rèn)識到電容器充放電規(guī)律及電容這個物理量的物理意義．

3 運(yùn)用DIS實驗探究電容器充放電規(guī)律

3.1 實驗?zāi)康?/h3>

了解電容器充放電過程中電流大小、方向的變化情況，探究哪個物理量能表征電容器儲存電荷本領(lǐng)的大小．

3.2 實驗器材

計算機(jī)1臺，DIS數(shù)據(jù)采集器1臺，電壓傳感器、電流傳感器各1個，紅、綠LED燈各1個，100 Ω的電阻1個，4700 μF的電容器1個，開關(guān)1個，學(xué)生電源1臺，導(dǎo)線若干．

圖1 DIS實驗原理圖

3.3 實驗原理與觀察準(zhǔn)備

實驗電路如圖1所示，根據(jù)實驗原理圖自制的實驗示教板如圖2所示．向?qū)W生介紹電路，認(rèn)識紅綠兩個LED燈指示電流方向的作用，認(rèn)識DIS系統(tǒng)傳感器功能．

圖2 自制的1.5 m×0.8 m實驗示教板

3.4 實驗過程

(1)按電路原理圖接好電路，斷開開關(guān)，接入電源；

(2)先啟動DIS軟件的電壓傳感器和電流傳感器采集功能，再閉合開關(guān)；

(3)電源開始對電容器充電，觀察紅綠LED的發(fā)光情況；

(4)DIS系統(tǒng)同步采集電壓傳感器和電流傳感器的數(shù)據(jù)，每隔10 ms采集一次并記錄在實驗結(jié)果表格中；

(5)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，DIS系統(tǒng)同步繪出充電電流I隨時間t變化的I-t圖(圖3)；

圖3 DIS采集的電容器充電過程I-t曲線

(6)斷開開關(guān)，保存實驗結(jié)果并進(jìn)行分析；

(7)移去電源，在原電源接線處用導(dǎo)線短接，閉合開關(guān)后以上述步驟研究電容器放電實驗．

3.5 實驗結(jié)果分析

(1)充電過程LED發(fā)光情況

引導(dǎo)學(xué)生觀察充電過程中紅色和綠色LED燈誰會發(fā)光，亮度怎么變化？依圖1所做實驗會發(fā)現(xiàn)紅色LED燈發(fā)光，表明充電電流呈順時針方向；接通開頭瞬間LED燈最亮，然后逐漸變暗直至熄滅.這表明電容器充電電流最初最大，然后逐漸減小，充電完畢后不再有充電電流．

(2)充電過程中I-t曲線反映充電電流大小的變化情況

再引導(dǎo)學(xué)生觀察DIS系統(tǒng)從電流傳感器得到電流數(shù)據(jù)描述而成的I-t圖，可以更直觀、更精確地理解電容器充電過程中電流的變化情況：電流從充電初始的最大值到充電完畢的零值非均勻地減小．

(3)充電后電容器兩端的電壓和電荷情況

接著讓學(xué)生觀察由電壓傳感器讀取的充電完畢后電容器兩端的電壓值，如圖3所示為5.9 V．表明電容器充電完畢后兩極板間的電壓保持一個穩(wěn)定值，具有儲存電荷和電場能的本領(lǐng)．

向?qū)W生提出設(shè)問：當(dāng)電容器充電完畢后，兩端電壓為5.9 V，此時電容器儲存了多少電荷量？因為數(shù)學(xué)方法欠缺的限制，學(xué)生對此問題的思考存在明顯的思維障礙，因此，教師有必要從特殊的、簡單的結(jié)論入手，推導(dǎo)出這種從電流I隨時間t非均勻變化圖像求電荷量的方法．

首先，向?qū)W生展示圖4所示的恒定電流.假設(shè)在電容器充電時是恒定電流并充電t0時間，要求思考電容器獲得的電荷量是多少？基于學(xué)生已經(jīng)掌握的Q=I0t0公式，大家都能順利理解圖線與橫坐標(biāo)包圍的面積即代表電容器獲得的電荷量(圖5)．

圖4 隨時間均勻變化的電流 圖5 計算隨時間均勻變化的

接著，再引導(dǎo)學(xué)生面對困難，通過實驗所采集到的數(shù)據(jù)表明，電容器充電電流是如圖3所示的隨時間非均勻變化的電流，那么它與橫坐標(biāo)包圍的面積能否代表電容器獲得的電荷量呢？

這樣，學(xué)生就能成功突破思維障礙，水到渠成地引入微元法的數(shù)據(jù)處理方法來解決電容器充電后帶電荷量的問題.推導(dǎo)出電容器帶電荷量

Q=I1t1+I2t2+I3t3+…

并進(jìn)一步理解圖中電流曲線與橫坐標(biāo)所包圍的面積，即電容器兩極板所帶電荷量Q(圖6)．

圖6 電流曲線與橫坐標(biāo)所包圍的

當(dāng)前國內(nèi)所開發(fā)的DIS實驗系統(tǒng)均有對選定區(qū)域求面積(求積分)的功能，因此，在學(xué)生經(jīng)過探究認(rèn)識到電流曲線與橫坐標(biāo)所包圍的面積即電容器兩極板所帶電荷量Q后，直接經(jīng)DIS求面積從而得到電容器充電后的帶電量Q．這樣既促進(jìn)了學(xué)生的科學(xué)思維的發(fā)展，也讓他們認(rèn)識到現(xiàn)代科學(xué)研究借助計算機(jī)系統(tǒng)的必要性．這種將嚴(yán)密的科學(xué)邏輯、創(chuàng)新的科學(xué)思維配合先進(jìn)的計算方法相結(jié)合的研究方法是當(dāng)前中學(xué)物理教育所缺失的，也是我們應(yīng)當(dāng)在高中物理教育教學(xué)中滲透的．

3.6 探究實驗數(shù)據(jù)背后的自然規(guī)律

在學(xué)生掌握了利用DIS系統(tǒng)觀察電容器充電過程充電電流的變化情況，并理解計算機(jī)系統(tǒng)通過計算I-t圖線與橫坐標(biāo)包圍的面積，即電容器兩極板所帶電荷量Q的基礎(chǔ)上，改變不同的充電電壓重復(fù)多次實驗，得到一組充電完畢后電容器兩端電壓U與電容器所帶電荷量Q的實驗數(shù)據(jù)．

圖7 多次充電實驗電容器帶電量Q與兩極板電壓U的關(guān)系

最后，向?qū)W生展示兩個不同的電容器根據(jù)DIS實驗獲取的數(shù)據(jù)所繪制成的Q-U圖線(圖8)，然后引導(dǎo)學(xué)生展開討論：若要你來選一個儲存電荷本領(lǐng)更強(qiáng)的電容器，你會選擇哪個？選擇的理由是什么？

圖8 兩個不同的電容器根據(jù)DIS實驗

4 總結(jié)與反思

強(qiáng)調(diào)物理基本方法的掌握與基本過程的分析是很多中學(xué)物理教師的傳統(tǒng)，但輕實驗、重說教；輕學(xué)生自主探究、重教師引導(dǎo)展現(xiàn)的現(xiàn)象也普遍存在．更有奉傳統(tǒng)實驗手段與實驗方法為經(jīng)典，輕視現(xiàn)代利用計算機(jī)技術(shù)處理實驗過程與實驗數(shù)據(jù)等先進(jìn)方法的教師，這不僅有礙學(xué)生順利、透徹、直觀地了解物理這么最為生活的科學(xué)，更失去了一個奠定學(xué)生接受新事物、學(xué)會用發(fā)展的眼光看待事物、學(xué)會用先進(jìn)的技術(shù)研究科學(xué)問題的機(jī)會．

因此，本文嘗試了以DIS實驗系統(tǒng)為基礎(chǔ)對實驗教學(xué)完成了重構(gòu)，以學(xué)生自主探究為主要學(xué)習(xí)過程，以現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)為實驗數(shù)據(jù)處理工具，直觀地觀察了電容器充電過程中電流的變化情況，深入理解了電容器所帶電荷量Q與電容器兩極板電壓U的比值具有的物理意義，不僅順利化解了難點，更重要的是：學(xué)生受到了積極利用現(xiàn)代實驗儀器進(jìn)行探索、使用現(xiàn)代計算工具進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)分析的科學(xué)研究啟蒙教育．

參考文獻(xiàn)

1 P.W.Zitzewiez著.錢振華，等譯.科學(xué)發(fā)現(xiàn)者.物理原理與問題.杭州：浙江教育出版社，2008

2 王駿.電容器電容的測量設(shè)計.中學(xué)物理教學(xué)參考，2002.5