鄔夏波

(舟山市岱山中學(xué),浙江舟山 316200)

人教版普通高中物理選修3-1教材的第1章第8節(jié)的教學(xué)內(nèi)容是電容器的電容.電容器的充放電實驗現(xiàn)象和電容器所帶的電荷量 Q與電容器兩極板電勢差U的關(guān)系,這兩個實驗用傳統(tǒng)的實驗教具無法演示,其主要原因在于電容器的容量小,充放電時間太短,現(xiàn)象稍縱即逝,在指針式的演示電表中觀察不到電流和電壓的變化,實驗效果不明顯.而對于電容器的定量研究,要解決電容器所帶電荷量 Q定量測量的問題.因此在課堂教學(xué)的過程中,對于充放電的實驗現(xiàn)象和電容定義式的得出只能通過抽象的理論分析,這不符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,也不利于學(xué)生知識的掌握.

數(shù)字化傳感器為實驗的定量研究提供了測量的可能,利用電流(電壓)傳感器可以觀察電容器在充放電過程中的電流(電壓)隨時間的變化.本實驗中改變電容器兩端的電壓不采用滑動變阻器的分壓式而是通過改變電源的電壓,即利用改變干電池的節(jié)數(shù)的方法來實現(xiàn).為了配合電流傳感器,加強(qiáng)實驗的演示效果,實驗中選用充放電時間短,充放電電流大,容量為0.1 F和0.47 F的超級電解電容器.按照充放電電路的要求,自制好演示用的充放電電路板(圖1),利用單刀雙擲開關(guān)的作用,實現(xiàn)電容器的充放電.

1 觀察電容器的充放電現(xiàn)象

1.1 實驗過程

(1)在演示用的電路板位置1插上0.47 F的電容器,兩端并聯(lián)電壓傳感器,在位置2串聯(lián)接入電流傳感器,并將傳感器與朗威數(shù)據(jù)采集器連接,取下圖1中2節(jié)干電池,用帶有鱷魚夾的導(dǎo)線連接電池座兩端,利用1節(jié)干電池作為充電電壓.

(2)打開朗威教材通用軟件,點擊組合圖線功能,添加“I-t”和“U-t”兩條圖線,同時記錄下電流和電壓隨時間的變化規(guī)律.

(3)點擊“開始”.將單刀雙擲開關(guān)撥到下面,對電容器充電,充電結(jié)束后再將開關(guān)撥到上面,電容器開始放電,得到圖線(圖2).

圖2

1.2 實驗結(jié)果

(1)電容器充電過程中,電流立刻增大,然后逐漸減小到零;電容器極板電壓逐漸增大,充電結(jié)束后電壓穩(wěn)定為電源電壓.

(2)電容器放電過程中,電流立刻增大,然后逐漸減小到零;電容器極板電壓逐漸減小,放電結(jié)束后電壓減小到零.

2 定量研究C=Q關(guān)系U

2.1 實驗過程

(1)在電路板位置1插上0.47 F的電容器,兩端并聯(lián)電壓傳感器測充電結(jié)束后電容器兩端的電壓值 U可直接讀出,在位置2串聯(lián)接入電流傳感器實時測量充放電過程中電流的變化規(guī)律,將傳感器與朗威數(shù)據(jù)采集器連接.

(2)打開教材通用軟件,點擊組合圖線功能,添加“I-t”圖線.分別利用1節(jié)干電池、2節(jié)干電池、3節(jié)干電池作為電源電壓,取下電池后用帶有鱷魚夾的導(dǎo)線連接電池座兩端.

圖3

(3)點擊“開始”.控制單刀雙擲開關(guān)對電容器進(jìn)行充放電,結(jié)束后得到圖線(圖3).利用選擇工具,選擇充電區(qū)域,利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)“其他處理”按鈕中的“積分”功能,得到圖線與時間軸所圍“面積”(圖3),該面積即為電容器充電結(jié)束時的帶電荷量 Q1.用相同方法選擇放電區(qū)域,得到放電電荷量 Q2.圖3顯示的是電源為3節(jié)干電池下獲得電容器充放電圖線,顯示的積分值為充電時圖線所圍的“面積”.

(4)在位置1換用另一0.1 F的電容器,重復(fù)上述實驗過程.實驗中把測得的數(shù)據(jù)記錄下來,得到表1、表2.

表1

表2

2.2 實驗結(jié)果

(1)電解電容器C的標(biāo)稱值與實際的C值有一定的差距,一般的電解電容允許有±20%的誤差.

(2)電容器在充放電過程中,充電電荷量Q1略大于放電電荷量 Q2,原因可能是電容器在放電過程中存在漏電.從數(shù)據(jù)上分析,此種電容器的漏電電流非常小,當(dāng)充電電壓越高,其漏電電量也越大.

(3)同一電容器充電電量Q1與充電電壓 U的比值不變,即為電容器的電容C.

(4)相同電壓下,電容器的電容C越大,其帶電荷量也就越多.至此通過定量的測量,充分說明了電容器的電容C為電容器儲存電荷本領(lǐng)的物理量.

3 實驗的分析與思考

利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)實驗教學(xué)過程中電容測量的這一難題,也為解決此類問題提供了思路,拓展了高中物理實驗創(chuàng)新的新途徑.把數(shù)字化實驗系統(tǒng)用于課堂實驗教學(xué),提高了物理實驗效果和課堂教學(xué)效率,體現(xiàn)了物理教學(xué)的時代特征.利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué),使學(xué)生體驗了科學(xué)實驗的真實情景,增強(qiáng)了學(xué)生探究科學(xué)問題的好奇心和動力,有利于物理實驗情感的培養(yǎng)和學(xué)生知識面的拓展. (收稿日期:2010-01-18)