孟麗麗

(安徽宿州第二中學(xué) 安徽 宿州 234000)

DISLab新型數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實(shí)驗(yàn)軟件包+計(jì)算機(jī)”構(gòu)成的．?dāng)?shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程整合的重要載體．基于傳感器的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和基于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件的計(jì)算機(jī)建模和圖像分析等技術(shù)是開展現(xiàn)代化中學(xué)物理探究教學(xué)的兩大技術(shù)支撐，也是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)面向現(xiàn)代化，提升實(shí)驗(yàn)檔次，加速實(shí)現(xiàn)中學(xué)物理教學(xué)與國際接軌的一條途徑．

物理實(shí)驗(yàn)中，空間上細(xì)微過程用肉眼難以觀察，一般借助于顯微鏡以實(shí)現(xiàn)細(xì)致的觀察．時(shí)間上細(xì)微過程難以捕捉，難以記錄，是物理實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)，瞬間變化的可視化尤其是難點(diǎn)．電容器的充電和放電時(shí)間很短暫，利用傳統(tǒng)器材不易觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．我們利用數(shù)字化傳感器對電容器的充電和放電進(jìn)行研究.與傳統(tǒng)器材相比，傳感器可以高頻率、高密度地對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳輸，可以展現(xiàn)一個快速過程中物理量的變化．

知識目標(biāo)

(1)觀察電容器充電和放電時(shí)，電路中電流隨時(shí)間的變化圖像．

(2)觀察電容器充電和放電時(shí)，電容器兩端電壓隨時(shí)間的變化圖像．

(3)作出電容器兩端電壓U與所帶電荷量Q的關(guān)系圖象，并利用圖像求解電容器的電容．

實(shí)驗(yàn)器材

學(xué)生電源，電流傳感器(-1 A～1 A)，電壓傳感器(-12 V～12 V)，電容器，變阻箱，單刀雙擲開

關(guān)，郎威數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集器，計(jì)算機(jī)，導(dǎo)線.

實(shí)驗(yàn)電路圖

圖1

實(shí)驗(yàn)過程

(1)觀察電容器的充電和放電時(shí)電流、電壓隨時(shí)間的變化圖像.

打開數(shù)字化信息實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對電壓傳感器和電流傳感器調(diào)零，采集頻率調(diào)為100 Hz，電源電壓為4 V，顯示方式設(shè)為“示波”．

對電容器充電和放電，傳感器記錄下如圖2所示電流隨時(shí)間、電壓隨時(shí)間的變化圖像．

圖2

先分析電流隨時(shí)間的變化規(guī)律：

1)充電時(shí)和放電時(shí)的電流方向相反．

2)充電開始時(shí)和放電開始時(shí)，電流最大，隨后逐漸減小．

3)充電和放電時(shí)，開始時(shí)圖線的斜率最大，說明電流變化最快；然后斜率越來越小，說明電流變化變慢．

再分析電壓隨時(shí)間的變化規(guī)律：

1)充電時(shí)，電容器兩極間電壓逐漸增大，穩(wěn)定時(shí)為電源電壓．放電時(shí)兩極間電壓逐漸減小，直到為零，放電結(jié)束．

2)充電和放電開始時(shí)，圖線的斜率最大，說明電壓變化的快．隨后斜率越來越小，說明電壓變化變慢．

(2)作出電容器兩端電壓U與所帶電荷量Q的關(guān)系圖象像

我們利用學(xué)生電源改變電容器兩端的電壓，利用電流傳感器記錄電流隨時(shí)間的變化圖像可以得到電荷量，即用電流圖線和時(shí)間軸所圍的面積代表電荷量．

利用軟件“建立表格”，添加一個變量——電荷量Q，(記錄下0、0點(diǎn))

在“組合曲線”中添加“電流-時(shí)間”圖線：改變電壓對電容器充電，記錄如圖3所示I-t圖線．

有兩種方法求解電荷量.第一種方法是數(shù)格子：記錄I-t圖線的背景有網(wǎng)絡(luò)格，每個格子代表的電荷量可以通過橫縱坐標(biāo)獲得，不足半格的舍掉，多余半格的算一格．第二種方法是利用軟件中的“其他處理”對選定區(qū)域積分,得到電荷量,填入表格.(可以選充電時(shí)的電流-時(shí)間圖線也可選放電時(shí)的電流-時(shí)間圖線．)

圖3

依次改變學(xué)生電源電壓，利用積分得到不同電壓下的電荷量．將所得數(shù)據(jù)填入表1中.

表1

圖4

然后在“繪圖”中設(shè)定電壓——x軸，電荷量——y軸，得到如圖4所示過原點(diǎn)的傾斜的直線．

結(jié)論

系統(tǒng)軟件可以直接寫出所畫圖線的方程y=

0.010 7x,圖線的斜率代表電容．對一個電容器來講，它的帶電荷量和兩極間電壓成正比，說明電容為定值．

課后小結(jié)

本節(jié)課我們利用數(shù)字化傳感器對電容器的充電和放電進(jìn)行研究，使我們對電容器充電和放電過程中電壓和電流隨時(shí)間的變化有了直觀的認(rèn)識．以前學(xué)生對電容的定義式只能有抽象的理解，通過對電荷量的測量，作出電容器所帶電荷量和電容器兩極間電壓的關(guān)系圖像使我們對電容有了感性的定量的認(rèn)識，對電容定義式有了進(jìn)一步的理解．?dāng)?shù)字化實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生的“定量化”研究提供了研究平臺，有利于學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)．