江立坤 劉世耀
摘 要:詳細(xì)介紹了多功能電容器演示儀的制作背景、儀器的設(shè)計(jì)原理、功能以及具體的使用方法。并把該儀器運(yùn)用于教學(xué)中,得到了廣大師生的喜愛(ài),取得了良好的教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞:多功能;電容器;演示儀;設(shè)計(jì)原理
中圖分類(lèi)號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-6148(2014)10(S)-0064-2
1 多功能電容器性質(zhì)演示儀的制作背景
高中物理教材中關(guān)于電容概念的構(gòu)建是從“實(shí)驗(yàn)表明,一個(gè)電容器所帶的電量與電容器兩極板間電勢(shì)差成正比”開(kāi)始的。雖然這樣也可以為電容的定義奠定理論基礎(chǔ)。但是,沒(méi)有形象直觀的演示實(shí)驗(yàn),沒(méi)有直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù),不利于電容概念的形成。筆者查閱了其它資料,也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)相關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)儀器。為了彌補(bǔ)不足,筆者經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析和反復(fù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,設(shè)計(jì)了一套多功能電容器演示儀(實(shí)物如圖1所示)。
圖1 電容器演示儀
2 儀器的設(shè)計(jì)原理以及功能介紹
多功能電容器性質(zhì)演示儀有兩個(gè)功能模塊,分別為電容器模塊和計(jì)時(shí)器模塊。
電容器模塊的設(shè)計(jì)原理:相同電容器并聯(lián)時(shí),電容器所帶的電荷量相等。因此,可通過(guò)用相同電容器并聯(lián)平分電量的方法把難以測(cè)定的電量依次等分。具體為四個(gè)相同電容器C1,C2,C3,C4并聯(lián),并用開(kāi)關(guān)K1,K2,K3,K4控制。使用學(xué)生電源對(duì)電容器C1充電,充滿(mǎn)后斷開(kāi)電源,電容器所帶電量Q保持不變。通過(guò)電壓傳感器與計(jì)算機(jī)相連,記錄電容器C1兩端電壓U的大小。依次閉合開(kāi)關(guān)K2,K3,K4,則每個(gè)電容器中的電量依次為Q/2,Q/3,Q/4。再?gòu)挠?jì)算機(jī)中觀察到電容器兩端電壓U,得出電容器多組Q/U值,通過(guò)比較Q/U值,可以直觀反映出電容器儲(chǔ)存電荷的性質(zhì),為電容定義奠定基礎(chǔ)。
計(jì)時(shí)器模塊設(shè)計(jì)原理:通過(guò)電路控制,用5V電壓對(duì)電容器進(jìn)行恒流充電,利用芯片控制的數(shù)字電路測(cè)量電容器在同一電壓充電過(guò)程所用的時(shí)間并用數(shù)碼顯示管顯示出來(lái)。充電結(jié)束,計(jì)時(shí)器自動(dòng)停止計(jì)時(shí),此時(shí),電容器所帶電量Q與充電時(shí)間成正比。再換用不同電容器,可記錄不同電容器充電時(shí)間。
比較不同電容器電荷量(充電時(shí)間)與電壓的比值,加深學(xué)生對(duì)電容概念的理解。
3 用途以及使用方法
3.1 多功能電容器性質(zhì)演示儀的用途
①在教學(xué)中演示電容器所帶電量和兩端電壓的關(guān)系;②電容器在充、放電過(guò)程中的U-t、I-t圖像;③演示不同容量電容器在同一電壓充電過(guò)程中所用的時(shí)間。
3.2 多功能電容器性質(zhì)演示儀的使用方法
3.2.1 電容器模塊
(1)把電壓傳感器接在并聯(lián)電路的兩端,通過(guò)數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)相連,啟動(dòng)配套軟件,選擇“通用軟件”功能。
(2)用教學(xué)電源的直流低壓檔(2~16V)接入電源輸入端,將選擇開(kāi)關(guān)拔到“充電”,閉合開(kāi)關(guān)K1,一段時(shí)間后斷開(kāi)電源,再依次閉合K2,K3,K4。此時(shí),可在電腦顯示器上看到電容器兩端電壓隨時(shí)間變化。測(cè)試中使用不同電壓充放電,以及使用不同電容器充放電,測(cè)試結(jié)果精確,現(xiàn)象明顯易懂。圖2為用四個(gè)2200μF的電容器經(jīng)16V電壓充電后的放電測(cè)試圖像。
圖2 放電測(cè)試圖
(3)實(shí)驗(yàn)完成后,將選擇開(kāi)關(guān)拔到“放電”,電容器自行放電。此模塊也可以用于觀察單個(gè)電容器的充電、放電時(shí)的電流—時(shí)間和電壓—時(shí)間圖像。
3.2.2 計(jì)時(shí)器模塊
(1)輕觸計(jì)時(shí)器電源開(kāi)關(guān)(已經(jīng)內(nèi)置電源),把待測(cè)電容接到電容器插口(正極在上,負(fù)極在下),按下開(kāi)始按鈕,計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí),充滿(mǎn)后自動(dòng)停止計(jì)時(shí),數(shù)碼管上顯示此電容充電時(shí)間。
(2)按“復(fù)位”后可進(jìn)行上述相同操作,測(cè)其它電容器充電時(shí)間。
4 創(chuàng)新點(diǎn)及改進(jìn)點(diǎn)
4.1 多功能電容器性質(zhì)演示儀創(chuàng)新點(diǎn)
采用相同電容器并聯(lián)平分電量的原理,配合電壓傳感器測(cè)出電容兩端電壓,巧妙地解決了教學(xué)中電容器電量和電壓關(guān)系難題。儀器借用帶電壓傳感器的計(jì)算機(jī),直觀形象地展示了并聯(lián)過(guò)程電容器兩端的電壓變化。對(duì)不同規(guī)格電容器,采用芯片控制的數(shù)字電路記錄電容器放電時(shí)間,在用同一電壓充電的前提下,得出電容器的電量電容比值關(guān)系。儀器簡(jiǎn)單易用、科學(xué)明了、設(shè)計(jì)合理,填補(bǔ)了該內(nèi)容演示儀器的空白。
4.2 多功能電容器性質(zhì)演示儀改進(jìn)點(diǎn)
①本儀器兩種功能都能定量反映電容器電壓U、電量Q、電容C之間的關(guān)系。在設(shè)計(jì)數(shù)字電路時(shí),為了使電容器充電時(shí)電流基本穩(wěn)定,使Q、t呈現(xiàn)較明顯的線性關(guān)系,使用了過(guò)于復(fù)雜的電路,如圖3、4 所示,有待改進(jìn)。
圖3 電路圖
圖4 實(shí)物圖
②在用數(shù)字計(jì)時(shí)器測(cè)定電容充電時(shí)間與電容關(guān)系實(shí)驗(yàn)中,使用數(shù)字芯片控制,低電平觸發(fā)計(jì)時(shí),高電平時(shí)停下計(jì)時(shí)。由于低電平不可能做到為零,所以實(shí)驗(yàn)存在一定的系統(tǒng)誤差。
本儀器研發(fā)后,在2011年10月本市舉辦的教具制作比賽中取得優(yōu)異成績(jī),受到評(píng)委和參會(huì)教師的好評(píng)。運(yùn)用到《電容器》一節(jié)的教學(xué)中后,能讓學(xué)生清楚地觀察到電容器兩端電壓和電量之間的關(guān)系,對(duì)電容概念的定義有比較清楚的認(rèn)識(shí),對(duì)概念的理解會(huì)更加深刻,這大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提高了教學(xué)效率。
參考文獻(xiàn):
[1]吳勇.對(duì)“探究影響平行板電容器的因素”演示實(shí)驗(yàn)的探討[J].物理教學(xué)探討,2010,(2):74.
[2]劉玉明等.平行板電容器充放電演示裝置[J].物理教學(xué)探討,2011,(4):61.
(欄目編輯 鄧 磊)
摘 要:詳細(xì)介紹了多功能電容器演示儀的制作背景、儀器的設(shè)計(jì)原理、功能以及具體的使用方法。并把該儀器運(yùn)用于教學(xué)中,得到了廣大師生的喜愛(ài),取得了良好的教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞:多功能;電容器;演示儀;設(shè)計(jì)原理
中圖分類(lèi)號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-6148(2014)10(S)-0064-2
1 多功能電容器性質(zhì)演示儀的制作背景
高中物理教材中關(guān)于電容概念的構(gòu)建是從“實(shí)驗(yàn)表明,一個(gè)電容器所帶的電量與電容器兩極板間電勢(shì)差成正比”開(kāi)始的。雖然這樣也可以為電容的定義奠定理論基礎(chǔ)。但是,沒(méi)有形象直觀的演示實(shí)驗(yàn),沒(méi)有直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù),不利于電容概念的形成。筆者查閱了其它資料,也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)相關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)儀器。為了彌補(bǔ)不足,筆者經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析和反復(fù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,設(shè)計(jì)了一套多功能電容器演示儀(實(shí)物如圖1所示)。
圖1 電容器演示儀
2 儀器的設(shè)計(jì)原理以及功能介紹
多功能電容器性質(zhì)演示儀有兩個(gè)功能模塊,分別為電容器模塊和計(jì)時(shí)器模塊。
電容器模塊的設(shè)計(jì)原理:相同電容器并聯(lián)時(shí),電容器所帶的電荷量相等。因此,可通過(guò)用相同電容器并聯(lián)平分電量的方法把難以測(cè)定的電量依次等分。具體為四個(gè)相同電容器C1,C2,C3,C4并聯(lián),并用開(kāi)關(guān)K1,K2,K3,K4控制。使用學(xué)生電源對(duì)電容器C1充電,充滿(mǎn)后斷開(kāi)電源,電容器所帶電量Q保持不變。通過(guò)電壓傳感器與計(jì)算機(jī)相連,記錄電容器C1兩端電壓U的大小。依次閉合開(kāi)關(guān)K2,K3,K4,則每個(gè)電容器中的電量依次為Q/2,Q/3,Q/4。再?gòu)挠?jì)算機(jī)中觀察到電容器兩端電壓U,得出電容器多組Q/U值,通過(guò)比較Q/U值,可以直觀反映出電容器儲(chǔ)存電荷的性質(zhì),為電容定義奠定基礎(chǔ)。
計(jì)時(shí)器模塊設(shè)計(jì)原理:通過(guò)電路控制,用5V電壓對(duì)電容器進(jìn)行恒流充電,利用芯片控制的數(shù)字電路測(cè)量電容器在同一電壓充電過(guò)程所用的時(shí)間并用數(shù)碼顯示管顯示出來(lái)。充電結(jié)束,計(jì)時(shí)器自動(dòng)停止計(jì)時(shí),此時(shí),電容器所帶電量Q與充電時(shí)間成正比。再換用不同電容器,可記錄不同電容器充電時(shí)間。
比較不同電容器電荷量(充電時(shí)間)與電壓的比值,加深學(xué)生對(duì)電容概念的理解。
3 用途以及使用方法
3.1 多功能電容器性質(zhì)演示儀的用途
①在教學(xué)中演示電容器所帶電量和兩端電壓的關(guān)系;②電容器在充、放電過(guò)程中的U-t、I-t圖像;③演示不同容量電容器在同一電壓充電過(guò)程中所用的時(shí)間。
3.2 多功能電容器性質(zhì)演示儀的使用方法
3.2.1 電容器模塊
(1)把電壓傳感器接在并聯(lián)電路的兩端,通過(guò)數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)相連,啟動(dòng)配套軟件,選擇“通用軟件”功能。
(2)用教學(xué)電源的直流低壓檔(2~16V)接入電源輸入端,將選擇開(kāi)關(guān)拔到“充電”,閉合開(kāi)關(guān)K1,一段時(shí)間后斷開(kāi)電源,再依次閉合K2,K3,K4。此時(shí),可在電腦顯示器上看到電容器兩端電壓隨時(shí)間變化。測(cè)試中使用不同電壓充放電,以及使用不同電容器充放電,測(cè)試結(jié)果精確,現(xiàn)象明顯易懂。圖2為用四個(gè)2200μF的電容器經(jīng)16V電壓充電后的放電測(cè)試圖像。
圖2 放電測(cè)試圖
(3)實(shí)驗(yàn)完成后,將選擇開(kāi)關(guān)拔到“放電”,電容器自行放電。此模塊也可以用于觀察單個(gè)電容器的充電、放電時(shí)的電流—時(shí)間和電壓—時(shí)間圖像。
3.2.2 計(jì)時(shí)器模塊
(1)輕觸計(jì)時(shí)器電源開(kāi)關(guān)(已經(jīng)內(nèi)置電源),把待測(cè)電容接到電容器插口(正極在上,負(fù)極在下),按下開(kāi)始按鈕,計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí),充滿(mǎn)后自動(dòng)停止計(jì)時(shí),數(shù)碼管上顯示此電容充電時(shí)間。
(2)按“復(fù)位”后可進(jìn)行上述相同操作,測(cè)其它電容器充電時(shí)間。
4 創(chuàng)新點(diǎn)及改進(jìn)點(diǎn)
4.1 多功能電容器性質(zhì)演示儀創(chuàng)新點(diǎn)
采用相同電容器并聯(lián)平分電量的原理,配合電壓傳感器測(cè)出電容兩端電壓,巧妙地解決了教學(xué)中電容器電量和電壓關(guān)系難題。儀器借用帶電壓傳感器的計(jì)算機(jī),直觀形象地展示了并聯(lián)過(guò)程電容器兩端的電壓變化。對(duì)不同規(guī)格電容器,采用芯片控制的數(shù)字電路記錄電容器放電時(shí)間,在用同一電壓充電的前提下,得出電容器的電量電容比值關(guān)系。儀器簡(jiǎn)單易用、科學(xué)明了、設(shè)計(jì)合理,填補(bǔ)了該內(nèi)容演示儀器的空白。
4.2 多功能電容器性質(zhì)演示儀改進(jìn)點(diǎn)
①本儀器兩種功能都能定量反映電容器電壓U、電量Q、電容C之間的關(guān)系。在設(shè)計(jì)數(shù)字電路時(shí),為了使電容器充電時(shí)電流基本穩(wěn)定,使Q、t呈現(xiàn)較明顯的線性關(guān)系,使用了過(guò)于復(fù)雜的電路,如圖3、4 所示,有待改進(jìn)。
圖3 電路圖
圖4 實(shí)物圖
②在用數(shù)字計(jì)時(shí)器測(cè)定電容充電時(shí)間與電容關(guān)系實(shí)驗(yàn)中,使用數(shù)字芯片控制,低電平觸發(fā)計(jì)時(shí),高電平時(shí)停下計(jì)時(shí)。由于低電平不可能做到為零,所以實(shí)驗(yàn)存在一定的系統(tǒng)誤差。
本儀器研發(fā)后,在2011年10月本市舉辦的教具制作比賽中取得優(yōu)異成績(jī),受到評(píng)委和參會(huì)教師的好評(píng)。運(yùn)用到《電容器》一節(jié)的教學(xué)中后,能讓學(xué)生清楚地觀察到電容器兩端電壓和電量之間的關(guān)系,對(duì)電容概念的定義有比較清楚的認(rèn)識(shí),對(duì)概念的理解會(huì)更加深刻,這大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提高了教學(xué)效率。
參考文獻(xiàn):
[1]吳勇.對(duì)“探究影響平行板電容器的因素”演示實(shí)驗(yàn)的探討[J].物理教學(xué)探討,2010,(2):74.
[2]劉玉明等.平行板電容器充放電演示裝置[J].物理教學(xué)探討,2011,(4):61.
(欄目編輯 鄧 磊)
摘 要:詳細(xì)介紹了多功能電容器演示儀的制作背景、儀器的設(shè)計(jì)原理、功能以及具體的使用方法。并把該儀器運(yùn)用于教學(xué)中,得到了廣大師生的喜愛(ài),取得了良好的教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞:多功能;電容器;演示儀;設(shè)計(jì)原理
中圖分類(lèi)號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-6148(2014)10(S)-0064-2
1 多功能電容器性質(zhì)演示儀的制作背景
高中物理教材中關(guān)于電容概念的構(gòu)建是從“實(shí)驗(yàn)表明,一個(gè)電容器所帶的電量與電容器兩極板間電勢(shì)差成正比”開(kāi)始的。雖然這樣也可以為電容的定義奠定理論基礎(chǔ)。但是,沒(méi)有形象直觀的演示實(shí)驗(yàn),沒(méi)有直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù),不利于電容概念的形成。筆者查閱了其它資料,也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)相關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)儀器。為了彌補(bǔ)不足,筆者經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析和反復(fù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,設(shè)計(jì)了一套多功能電容器演示儀(實(shí)物如圖1所示)。
圖1 電容器演示儀
2 儀器的設(shè)計(jì)原理以及功能介紹
多功能電容器性質(zhì)演示儀有兩個(gè)功能模塊,分別為電容器模塊和計(jì)時(shí)器模塊。
電容器模塊的設(shè)計(jì)原理:相同電容器并聯(lián)時(shí),電容器所帶的電荷量相等。因此,可通過(guò)用相同電容器并聯(lián)平分電量的方法把難以測(cè)定的電量依次等分。具體為四個(gè)相同電容器C1,C2,C3,C4并聯(lián),并用開(kāi)關(guān)K1,K2,K3,K4控制。使用學(xué)生電源對(duì)電容器C1充電,充滿(mǎn)后斷開(kāi)電源,電容器所帶電量Q保持不變。通過(guò)電壓傳感器與計(jì)算機(jī)相連,記錄電容器C1兩端電壓U的大小。依次閉合開(kāi)關(guān)K2,K3,K4,則每個(gè)電容器中的電量依次為Q/2,Q/3,Q/4。再?gòu)挠?jì)算機(jī)中觀察到電容器兩端電壓U,得出電容器多組Q/U值,通過(guò)比較Q/U值,可以直觀反映出電容器儲(chǔ)存電荷的性質(zhì),為電容定義奠定基礎(chǔ)。
計(jì)時(shí)器模塊設(shè)計(jì)原理:通過(guò)電路控制,用5V電壓對(duì)電容器進(jìn)行恒流充電,利用芯片控制的數(shù)字電路測(cè)量電容器在同一電壓充電過(guò)程所用的時(shí)間并用數(shù)碼顯示管顯示出來(lái)。充電結(jié)束,計(jì)時(shí)器自動(dòng)停止計(jì)時(shí),此時(shí),電容器所帶電量Q與充電時(shí)間成正比。再換用不同電容器,可記錄不同電容器充電時(shí)間。
比較不同電容器電荷量(充電時(shí)間)與電壓的比值,加深學(xué)生對(duì)電容概念的理解。
3 用途以及使用方法
3.1 多功能電容器性質(zhì)演示儀的用途
①在教學(xué)中演示電容器所帶電量和兩端電壓的關(guān)系;②電容器在充、放電過(guò)程中的U-t、I-t圖像;③演示不同容量電容器在同一電壓充電過(guò)程中所用的時(shí)間。
3.2 多功能電容器性質(zhì)演示儀的使用方法
3.2.1 電容器模塊
(1)把電壓傳感器接在并聯(lián)電路的兩端,通過(guò)數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)相連,啟動(dòng)配套軟件,選擇“通用軟件”功能。
(2)用教學(xué)電源的直流低壓檔(2~16V)接入電源輸入端,將選擇開(kāi)關(guān)拔到“充電”,閉合開(kāi)關(guān)K1,一段時(shí)間后斷開(kāi)電源,再依次閉合K2,K3,K4。此時(shí),可在電腦顯示器上看到電容器兩端電壓隨時(shí)間變化。測(cè)試中使用不同電壓充放電,以及使用不同電容器充放電,測(cè)試結(jié)果精確,現(xiàn)象明顯易懂。圖2為用四個(gè)2200μF的電容器經(jīng)16V電壓充電后的放電測(cè)試圖像。
圖2 放電測(cè)試圖
(3)實(shí)驗(yàn)完成后,將選擇開(kāi)關(guān)拔到“放電”,電容器自行放電。此模塊也可以用于觀察單個(gè)電容器的充電、放電時(shí)的電流—時(shí)間和電壓—時(shí)間圖像。
3.2.2 計(jì)時(shí)器模塊
(1)輕觸計(jì)時(shí)器電源開(kāi)關(guān)(已經(jīng)內(nèi)置電源),把待測(cè)電容接到電容器插口(正極在上,負(fù)極在下),按下開(kāi)始按鈕,計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí),充滿(mǎn)后自動(dòng)停止計(jì)時(shí),數(shù)碼管上顯示此電容充電時(shí)間。
(2)按“復(fù)位”后可進(jìn)行上述相同操作,測(cè)其它電容器充電時(shí)間。
4 創(chuàng)新點(diǎn)及改進(jìn)點(diǎn)
4.1 多功能電容器性質(zhì)演示儀創(chuàng)新點(diǎn)
采用相同電容器并聯(lián)平分電量的原理,配合電壓傳感器測(cè)出電容兩端電壓,巧妙地解決了教學(xué)中電容器電量和電壓關(guān)系難題。儀器借用帶電壓傳感器的計(jì)算機(jī),直觀形象地展示了并聯(lián)過(guò)程電容器兩端的電壓變化。對(duì)不同規(guī)格電容器,采用芯片控制的數(shù)字電路記錄電容器放電時(shí)間,在用同一電壓充電的前提下,得出電容器的電量電容比值關(guān)系。儀器簡(jiǎn)單易用、科學(xué)明了、設(shè)計(jì)合理,填補(bǔ)了該內(nèi)容演示儀器的空白。
4.2 多功能電容器性質(zhì)演示儀改進(jìn)點(diǎn)
①本儀器兩種功能都能定量反映電容器電壓U、電量Q、電容C之間的關(guān)系。在設(shè)計(jì)數(shù)字電路時(shí),為了使電容器充電時(shí)電流基本穩(wěn)定,使Q、t呈現(xiàn)較明顯的線性關(guān)系,使用了過(guò)于復(fù)雜的電路,如圖3、4 所示,有待改進(jìn)。
圖3 電路圖
圖4 實(shí)物圖
②在用數(shù)字計(jì)時(shí)器測(cè)定電容充電時(shí)間與電容關(guān)系實(shí)驗(yàn)中,使用數(shù)字芯片控制,低電平觸發(fā)計(jì)時(shí),高電平時(shí)停下計(jì)時(shí)。由于低電平不可能做到為零,所以實(shí)驗(yàn)存在一定的系統(tǒng)誤差。
本儀器研發(fā)后,在2011年10月本市舉辦的教具制作比賽中取得優(yōu)異成績(jī),受到評(píng)委和參會(huì)教師的好評(píng)。運(yùn)用到《電容器》一節(jié)的教學(xué)中后,能讓學(xué)生清楚地觀察到電容器兩端電壓和電量之間的關(guān)系,對(duì)電容概念的定義有比較清楚的認(rèn)識(shí),對(duì)概念的理解會(huì)更加深刻,這大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提高了教學(xué)效率。
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(欄目編輯 鄧 磊)