童俊波
摘 要: 電容器充、放電過程是理解電容器工作的主要形式。而電容器充、放電過程在極短時間內就會完成,現(xiàn)象稍縱即逝,學生往往感到抽象難懂。通過增加電位器和發(fā)光二極管、石英鐘等元件,延長電容器的充放電時間,從而增加可見度。
關鍵詞: 電容器 充電 放電 電位器 發(fā)光二極管
一、地位和作用
人教版普通高中物理選修3-1《電容器的電容》中電容器充、放電實驗是一個很重要的演示實驗。電容器充電、放電的過程是電容器工作的主要形式,學生不容易理解,所以課堂中很有必要對電容器的充電、放電過程進行放慢和放大,從而使學生加深對電容器工作原理的認識和理解。為此,特制作了本套電容器充、放電演示儀。
二、實驗原型及不足之處
教材采用靈敏電流計顯示電容器充、放電現(xiàn)象實驗,如下圖,由于靈敏電流計量程較小,承受不了大電流,充放電剛開始時極易燒壞線圈或打彎表針,且由于充放電流時間太短,現(xiàn)象稍縱即逝,可見度不大。
三、實驗創(chuàng)新之處
方案一:改裝靈敏電流計,擴大其量程。用兩個并聯(lián)的發(fā)光二極管與電流計及電位器串接,通過發(fā)光二極管的亮暗和電流計指針偏角顯示充放電流的大小;同時可利用發(fā)光二極管的單向導通性顯示充、放電流的方向[1]。
方案二:由于石英鐘的耗電量小,且頻率及其穩(wěn)定,可利用電容器充放電時產生短暫電流驅動石英鐘,能讓石英鐘走動較長一段時間,從而放慢、放大電容器充放電的現(xiàn)象,同時石英鐘有計時功能,可以用石英鐘走動時間的長短說明電容器容納電荷本領的大小[2]。
四、實驗器材
“10000μF50V”電解電容器一只,發(fā)光二極管兩只(紅、綠),10kΩ電位器一只,330Ω電阻一只,100Ω電阻一只,J0402型示教電表一只,石英鐘兩只,1.5V1號干電池4只,單刀雙擲開關2只,單刀開關1只,鱷魚夾3個,導線若干,紅、綠膠布少許,90cm×70cm木板一塊。
五、實驗原理及裝置說明
5.1電路圖設計如下:
5.2給靈敏電流計并聯(lián)一個430Ω的電阻,擴大其量程,同時串接10kv電位器和發(fā)光二極管,擴大回路電阻,延長電容器充放電時間;還可以利用二極管的單向導通性顯示充放電流方向。
5.3根據石英鐘耗電量小的特點,充分放大充放電時間,增大了實驗的可見度。
5.4按照5.1的電路圖,在演示板的正面相應位置打孔,安裝好各個電路元件;在演示板背面用電烙鐵把導線與電路元件焊接牢并連接好電路,用紅、綠塑料膠布充當導線貼在板的正面,顯示電路的連接情況。
六、實驗過程
6.1鱷魚夾接a(電源電壓6V),調節(jié)電位器到適當?shù)淖柚?,把單刀雙擲開關S接1,閉合開關S,LED1發(fā)出最亮紅光(LED2始終不亮),電流計指針向右偏到最大位置,說明電容器正在充電,電流為順時針方向;隨著時間的推移,LED1逐漸變暗,電流計指針偏角逐漸減?。蛔詈蟪潆婋娏鲙缀鯙榱?,LED1完全變暗[3]。
6.2把開關S接2,此時LED2發(fā)出最亮綠光(LED1始終不亮),電流計指針向左偏到最大位置,電流為逆時針方向,說明電容器正在進行放電。隨著時間的延續(xù),放電電流逐漸減少,LED2逐漸變暗,電流計指針偏角逐漸減小;最后電流表指數(shù)幾乎為零,LED2完全熄滅,放電結束。說明電容器具有儲存電荷的能力。
6.3斷開S,把兩石英鐘的秒針用手撥到12點位置,鱷魚夾接b(電源電壓3V),把單刀雙擲開關S接1,開關S接3,左邊石英鐘開始走動計時,說明電容器正在充電,由于石英鐘耗電量很少,充電過程大概經過25s左右。
6.4把單刀雙擲開關S接2,然后把開關S接4,右邊石英鐘開始走動計時,說明電容器在放電,放電時間20s左右。
七、實驗效果
本實驗使學生清楚地看到了電容器充、放電的過程,還能明確充、放電的方向,使學生印象深刻,對掌握電容器的充、放電過程起到了非常好的作用。
八、自我評價
本實驗裝置結構簡單,制作方便,過程安全,形象生動,演示可見度大。本裝置可以在電容器兩端并聯(lián)10V電壓表,探究電容器充放電過程中電流與電壓的變化規(guī)律;還可以在同一電源下,使用不同容量的電容器實驗,探究電容器同一電壓下儲存電荷的能力。希望各位專家和同行對本實驗裝置進行批評指正。
參考文獻:
[1]肖芝清.用系列實驗揭示電容器里的秘密[J].教學儀器與實驗,2006(04).
[2]季永青.巧用石英鐘觀察電容器充放電現(xiàn)象[J].實驗教學與儀器,2005(Z1).
[3]張喜榮,岳寶良,尹建義,劉彥玲.教學探究——電容器放電快慢與什么因素有關[J].物理通報,2010(05).