錢(qián)選體

(南通市啟秀中學(xué) 江蘇 南通 226001)

電容器是一種重要的電學(xué)元件，是一個(gè)儲(chǔ)存電荷的儲(chǔ)能元件，它不是一個(gè)耗能元件，可以說(shuō)沒(méi)有電容器就沒(méi)有現(xiàn)在的信息社會(huì)和現(xiàn)代化的生活.要掌握電容器的特性,筆者認(rèn)為做好電容器的充放電實(shí)驗(yàn)尤其重要，這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生理解掌握電容器特性在電路中的作用.

人教版《物理·選修3-1》給出的電容器的充放電示意圖如圖1，開(kāi)關(guān)S擲至1為充電，擲至2為放電，表面上是可以進(jìn)行充放電的實(shí)驗(yàn)了，但實(shí)際上是看不到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的，由于電路中無(wú)電阻R，充放電時(shí)間很短很短，根本看不到充放電的過(guò)程，幾乎看不到電流表的變化過(guò)程.

圖1

圖2

若用圖2進(jìn)行演示，C=470 μF，R=10 kΩ,A○表用100 μA或500 μA的示教萬(wàn)用表G，V○用2.5 V的示教萬(wàn)用表，時(shí)間常數(shù)RC=5 s，整個(gè)充放電時(shí)間為15～25 s，便于觀察和講解，A○的指針?lè)旁谡校梢宰笥移?，E用一節(jié)干電池，可以很好地演示充放電實(shí)驗(yàn)，S擲至1為充電過(guò)程，同時(shí)可以看到A○表讀數(shù)由最大逐漸減小，V○表讀數(shù)由小逐漸增大，可知充電的電流方向及電容器上、下極板所帶的電荷量；S擲至2時(shí)為放電過(guò)程，此時(shí)可以看到A○表和V○表的讀數(shù)同時(shí)減小直至為零，同時(shí)可以看到放電電流方向與充電電流方向相反，有足夠的時(shí)間進(jìn)行講解說(shuō)明，可以說(shuō)明充好電的電容器儲(chǔ)存能量即電場(chǎng)能.

圖2存在兩個(gè)缺點(diǎn)，充電結(jié)束時(shí)A○始終不為零，因?yàn)閂○不是理想表，不能很好說(shuō)明充電結(jié)束時(shí)電路中電流為零，一種方法是將V○表斷開(kāi)再做充電實(shí)驗(yàn)，此時(shí)充電結(jié)束時(shí)A○表讀數(shù)為零；還有一種方法是改變A○的接線位置，由外接改為內(nèi)接，還有一個(gè)缺點(diǎn)為S斷開(kāi)1又沒(méi)有與2連接時(shí)，理論上C兩端的電壓應(yīng)不變，即充好電的電容器的電荷量不變，由于V○表不是理想表，它要放電，所以在V○表支路上接一個(gè)開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)1時(shí)及時(shí)斷開(kāi)V○支路中的開(kāi)關(guān).

用圖3進(jìn)行演示，E,R,C,A○,V○的值及選擇與圖2相同，S1為單刀雙擲開(kāi)關(guān)，S2為單刀單擲開(kāi)關(guān)，觀察效果很好，有足夠的時(shí)間進(jìn)行充分的講解；當(dāng)S1擲至1，S2接通為充電，可以同時(shí)看到A○和V○的讀數(shù)變化過(guò)程，終態(tài)時(shí)A ○為零而V○約為E，據(jù)A○表的指針偏轉(zhuǎn)方向可知充電的方向；當(dāng)S1斷開(kāi)前先斷開(kāi)S2，可以提出問(wèn)題說(shuō)明充好電的電容器存在什么呢？然后先接S2再快速使S1擲至2，觀察此時(shí)V○的最大值幾乎不變，然后A○和V○表同時(shí)減小直至為零；說(shuō)明充好電的電容器兩端電壓U不變，即電荷量Q不變，充好電的電容器儲(chǔ)有能量即電場(chǎng)能，通過(guò)A○表的指針偏轉(zhuǎn)方向可知放電的電流方向與充電的電流方向相反.

圖3

通過(guò)圖3進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)后可以說(shuō)明下面幾個(gè)問(wèn)題:

第一,根據(jù)充電時(shí)A○的讀數(shù)由最大減至零，說(shuō)明電容器C在直流電路中接通的瞬時(shí)相當(dāng)于短路，正常工作時(shí)相當(dāng)于斷路；

第二,可以通過(guò)改變R和C的值，可以觀察到充放電時(shí)間的長(zhǎng)短，說(shuō)明R與C的乘積是時(shí)間，RC電路有延時(shí)效應(yīng)，從而可以使電路延時(shí)接通或延時(shí)斷開(kāi)達(dá)到需要的自動(dòng)控制；

第三,可以通過(guò)充放電知道電容器的串、并聯(lián)的特點(diǎn)，若并聯(lián)電容器后，充放電時(shí)間增大，RC乘積增大，說(shuō)明并聯(lián)后電容器的電容量增大，若串聯(lián)電容器后，充放電時(shí)間減小，RC乘積減小，說(shuō)明串聯(lián)后的電容器的電容量減少，從而使學(xué)生很容易接受電容器的串并聯(lián)的電容量的變化；

第四,很容易解決圖4(a)的問(wèn)題，可以先按圖4(b)進(jìn)行一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，電阻箱R1,R2,R3都調(diào)為5 000 Ω，A1○,A2○,A3○為示教萬(wàn)用表的G表，當(dāng)S閉合可以看到3個(gè)A○表的讀數(shù)變化與圖4(a)中的A,B,C燈的亮度變化是一樣的，利用燈C接通時(shí)短路，正常時(shí)斷路，燈A先亮后漸暗與燈B同樣亮，燈B和燈C先同樣亮后燈C漸暗且不亮，燈B漸亮，還可以很容易回答圖4(c)中S接通時(shí)A，B燈誰(shuí)先亮，亮度變化情況如何，據(jù)接通時(shí)瞬間燈C短路，則燈A先亮，據(jù)燈C正常工作時(shí)斷路及充電需要時(shí)間，所以燈B后亮，燈A由亮變暗，燈B由暗變亮.

圖4

圖5

圖6

則

即

電容器充放電過(guò)程測(cè)電容器的電容量C，可以演示一個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生通過(guò)身邊的簡(jiǎn)單儀器也可以測(cè)到C值，不一定要用傳感器，可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，而且這個(gè)實(shí)驗(yàn)使用的儀器，如電阻箱、干電池、電容器、秒表或手表、G表各校都有.實(shí)驗(yàn)時(shí)可以采用圖3中的數(shù)據(jù)每5 s讀一個(gè)I值，作出I-t圖即可.

總之，在目前大力提倡高效課堂，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力的前提下，我們的物理課堂應(yīng)該走在前面，能做好的演示實(shí)驗(yàn)要?jiǎng)?chuàng)造條件做好，能讓學(xué)生動(dòng)手的學(xué)生實(shí)驗(yàn)盡量安排給他們做，從而達(dá)到培養(yǎng)人才的預(yù)期效果.