利用倍分法設(shè)計(jì)和改進(jìn)電容器實(shí)驗(yàn)

李 明柴宏良

(衢州一中浙江 衢州324000)

收稿日期：(2014-07-16)

1教學(xué)中實(shí)驗(yàn)存在的問題

“電容器的電容”這節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)是定義電容器的電容和探究影響平行板電容器電容的因素.

研究影響平行板電容器電容的因素的實(shí)驗(yàn)中，教材提供了圖1所示的實(shí)驗(yàn)方案.經(jīng)過嘗試，發(fā)現(xiàn)此實(shí)驗(yàn)方案在實(shí)際教學(xué)中存在4個(gè)方面的問題：

(1)物理量關(guān)系不直觀.實(shí)驗(yàn)中用靜電計(jì)兩端的電壓變化判斷電容的變化，對(duì)于判斷電容C與正對(duì)面積S，極板間距離d的定量關(guān)系不夠直觀.

(2)精度不高.實(shí)驗(yàn)中利用靜電計(jì)指針的偏角大小判斷電壓大小比較粗略，實(shí)驗(yàn)誤差較大.

(3)漏電的影響.平行板電容器所帶電荷量不多，而且容易通過空氣漏電，長(zhǎng)時(shí)間操作時(shí)會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的效果.

(4)操作性不佳，特別是定量改變極板間距離和正對(duì)面積時(shí)控制的難度較大.

圖1教材中研究影響平行板電容器電容因素的實(shí)驗(yàn)方案

針對(duì)以上這些問題，對(duì)本課當(dāng)中的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)和改進(jìn)，取得了極好的教學(xué)效果.

2創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)

2.1探究電容器的電荷量和電壓關(guān)系實(shí)驗(yàn)

探究電容器的電荷量和電壓關(guān)系，需要測(cè)量電容器的帶電荷量Q和電容器兩端的電壓U.

在測(cè)量電容器的電壓時(shí)，又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)難題.由于指針式電壓表內(nèi)阻不太大，電容器要通過電壓表放電，使電荷量發(fā)生改變，而且放電中電壓表讀數(shù)快速減小，無(wú)法準(zhǔn)確讀數(shù).通過不斷嘗試，發(fā)現(xiàn)利用數(shù)字式電壓表測(cè)電容器的電壓時(shí)，由于數(shù)字式電壓表內(nèi)阻很大，電容器幾乎不放電，數(shù)值精確、穩(wěn)定、易讀.因此，本實(shí)驗(yàn)須采用數(shù)字式多用電表(電壓擋)測(cè)量電容器兩端的電壓.實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，兩個(gè)電容器的規(guī)格都是“16V，3 300μF”，S1為單刀雙擲開關(guān).

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置

某次實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示.

表1　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從上表數(shù)據(jù)很容易得出Q與U成正比的關(guān)系，在此實(shí)驗(yàn)結(jié)論的基礎(chǔ)上，再用比值定義法定義電容就水到渠成了.

2.2探究影響平行板電容器電容因素的實(shí)驗(yàn)

鑒于教材上實(shí)驗(yàn)方案的不足，我們對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置由兩塊表面粘貼著鋁箔的塑料泡沫板(作為電容器的兩極板)、多塊同樣規(guī)格的有機(jī)玻璃板和塑料泡沫板(充當(dāng)絕緣介質(zhì))以及數(shù)字式萬(wàn)用表(利用其電容擋)組成.實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示.

圖3　改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置

在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，將多用電表的兩根表筆分別接觸電容器的上下極板，即可測(cè)出其電容.研究極板距離對(duì)電容的影響時(shí)，只需在兩極板之間增加有機(jī)玻璃板的塊數(shù)，極板距離就會(huì)成倍地改變.研究極板的正對(duì)面積對(duì)電容的影響時(shí)，只需在不改變極板間有機(jī)玻璃數(shù)量的前提下將上極板向右平移，定量改變正對(duì)面積.研究絕緣介質(zhì)對(duì)電容的影響時(shí)，只需用同樣厚度的泡沫板代替有機(jī)玻璃板即可.實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、容易，現(xiàn)象直觀.

上、下極板材料的選取對(duì)此實(shí)驗(yàn)成功與否至關(guān)重要.剛開始筆者選擇兩塊白鐵皮作為兩平行金屬板，由于白鐵皮本身是彎曲的，即使對(duì)它進(jìn)行敲打和用重物壓都難以使它變得平整，實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大.后來嘗試用裝修用的鋁塑板，實(shí)驗(yàn)誤差也很大.誤差的主要原因是極板與絕緣板間存在較大的空隙.最后將鋁箔粘貼在塑料泡沫板上作為電容器的兩極板，實(shí)驗(yàn)時(shí)適當(dāng)擠壓就可將板間的空氣排出，實(shí)驗(yàn)的精度很高.某次實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)如下.

表2　研究極板間距對(duì)電容的影響

表3　研究極板的正對(duì)面積對(duì)電容的影響

3體會(huì)與反思

(2)數(shù)字式多用電表在中學(xué)實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用.上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都用到了數(shù)字式多用電表.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，數(shù)字式多用電表功能強(qiáng)大，并且其電壓擋的內(nèi)阻極大，能完成一些指針式多用電表不能完成的測(cè)量，而且讀數(shù)方便、準(zhǔn)確.

因此，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新和改進(jìn)時(shí)可以多嘗試?yán)眯聝x器、新器材，它可能使我們以往不能做的實(shí)驗(yàn)變成可能，以前比較難做的實(shí)驗(yàn)得到簡(jiǎn)化.

(3)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)可提高課堂教學(xué)的興趣度和效率，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神.兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新和改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)思想方法巧妙，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，能非常有效地幫助教師進(jìn)行本節(jié)課的教學(xué)，提高了課堂效率.在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)的過程中，學(xué)生能體會(huì)到創(chuàng)新的魅力，提高對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣.

(4)存在問題.由于實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的電荷量無(wú)法測(cè)量其具體值，所以只能得到電荷量Q與電壓U的正比關(guān)系，但不能得到Q與U比值的具體值.如果換一電容器，本實(shí)驗(yàn)不能反映Q與U的比值與電容器有關(guān)這一特征.

參 考 文 獻(xiàn)

1人民教育出版社課程教材研究所.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(物理).北京：人民教育出版社，2011.5