湯玉林

(北京四中,北京 100034)

·物理實驗·

談電容器、電容學習進階

湯玉林

(北京四中,北京 100034)

電容器電容是高中教學中的難點,筆者就電容器電容的教學,通過創(chuàng)設有利于學生構建的情境,讓學生構建相關概念,對電容器電器的學習進階做了相關的分析和探討．

構建；實驗；電容器電容；學習進階

物理概念教學是物理教師的一個首要任務．高中學生要在短時間內(nèi)學習、掌握人類漫長而艱難的思維活動產(chǎn)物——物理概念,這就要求教師在物理概念教學時,使學生對概念的認知過程與物理概念的客觀形成過程相一致,與學生認知的心理規(guī)律相一致．作為認知主體的學生,在學習物理概念時最好有一定的感性認識．因此,作為物理教師應充分重視學生的感知和課堂演示實驗.這樣既符合中學生的年齡特征,也遵循由具體到抽象,從感性到理性的認知規(guī)律.所以在建立物理概念的過程中,給學生提供豐富足夠的感性認識,在學生頭腦中建立起清晰的物理直觀圖景,這對建立物理概念是十分有益的．因此教師要努力創(chuàng)造條件,運用演示實驗進行直觀教學,抓住物理實驗的直觀、形象、生動的特點,喚起學生的直覺興趣．下面筆者結合教學實踐帶領學生一步步從電容器的接觸、電容器充放電的特點、電容概念的定義、電容器對交直流電路的影響、電容器在技術上的應用,真正理解“電容器電容”概念的內(nèi)涵,實現(xiàn)“電容器電容”概念的學習進階．

1 感性認識電容器

電容器在各種電子儀器中都有廣泛的應用,但是學生對電容器并不熟悉,因為他們很少打開用電器觀察其中的元件．

演示1:實物展示.

教學中先進行實物展示,讓學生認識電容器的外形和兩個電極,接著教師解剖一個紙質(zhì)電容器,讓學生觀察內(nèi)部構造,使學生認識電容器是由兩塊彼此絕緣又相互靠近的導體和導體之間的介質(zhì)構成．

演示2:創(chuàng)設情境,用兩個金屬盆和塑料薄膜組成電容器儲存電荷.

在初步認識電容器的基礎上再用手搖起電機給兩個金屬盆充電(金屬盆中間夾一層薄塑料薄膜),充電后,儲存的電荷足以使5人連起來的回路通電,并讓大家有酥麻的感覺．

這些感性材料對學生了解電容器是十分有益和必要的．以生活實例為素材創(chuàng)設新課教學情境,能激發(fā)學生的求知欲、調(diào)動學生的思維能力．

2 電容器的充放電

在初步了解電容器的基礎上,為了進一步理解電容,充分認識和了解電容器的充放電是學習電容器的下一步進階．

電容器的充、放電過程是電容器工作的主要形式,也是學生了解電容器的一個載體．要深刻理解電容等知識,需要以認識電容器的充放電及其規(guī)律為基礎．

演示1:電容器的充放電.(用石英鐘走過的時間顯示電荷量的大小)

利用石英電子鐘觀察電容器的充電、放電現(xiàn)象．石英鐘耗電荷量小,且頻率穩(wěn)定,取下石英鐘電池,利用電容器充放電產(chǎn)生的短暫電流來驅(qū)動石英鐘,能使石英鐘走動較長一段時間,從而放大、放慢了電容器的充電、放電現(xiàn)象．而且,石英鐘具有計時功能,當電容器充電、放電結束后,石英鐘秒針會停留在最后時刻的位置上,從而用石英鐘走過的格數(shù)來表征電容器帶電荷量的多少．

演示2:利用傳感器顯示充放電過程電流電壓的變化過程.

電容器充放電是一種典型的暫態(tài)過程,但有些學生誤以為充放電是在一瞬間完成的,有些教師上課時也在不經(jīng)意間做如此的描述．只注重結果而忽視過程．為此利用電流傳感器和電壓傳感器來顯示充放電過程電流電壓的變化過程．實驗電路和采集到的數(shù)據(jù)如圖1所示．通過圖像,學生可以直接看到充電過程電壓逐漸增大到一個穩(wěn)定值,電流從最大值逐漸減小到0的過程．放電過程電路電壓都逐漸減小的過程．直觀的圖像加深了學生對暫態(tài)過程的認識,也對電容器帶電等相關知識加深了認識,為后面電容概念的得出打下基礎．

圖1

3 電容概念的建立

電容概念的得出一個難點是如何測量電容器的帶電荷量,我們可以借鑒“探究功與物體速度變化關系”一節(jié)的方法,雖然橡皮筋形變后無法得出每一根橡皮筋的彈力做了多少功．但是,只要成倍增加完全相同的橡皮筋,所做的功也成倍增加．

圖2

類比上述方法逆向思維采用倍減法,按照如圖2所示的電路連接好電路,實驗中所用的電壓表為多用電表的數(shù)字電壓表．圖中5個電容器為電解電容器,規(guī)格相同,批次相同．先給最左邊的電容器充電,充電完畢后依次閉合4個開關,根據(jù)對稱可知最左邊電容器的帶電荷量分別為q、q/2、q/3、q/4、q/5,讀出相應的電壓表的讀數(shù)．不難發(fā)現(xiàn)電容器帶電荷量Q變化,電容器兩極板間的電壓U隨之改變,但Q/U的比值在誤差允許的范圍內(nèi)保持不變．換一組電容器重做實驗同樣可以得出Q/U的比值在誤差允許的范圍內(nèi)保持不變,但Q/U的比值不相同．所以Q/U的比值由電容器的結構本身決定,根據(jù)實驗得出了電容的定義式以及電容器電容的物理意義．

采用上述思路進行“電容器的電容”教學,注重了學生是學習的主體,主體性得到充分發(fā)揮,課堂氣氛活躍,概念的教學建立在實驗的基礎上.學生既能深刻領會概念的內(nèi)涵,又能了解一種實驗思想．讓學生在探究和互動中構建知識和概念,鍛煉了學生的實驗數(shù)據(jù)采集和分析能力,有利于物理實驗情感的培養(yǎng),有利于拓展學生的知識面．

4 平行板電容器的電容

平行板電容器是最基本的電容器,研究平行板電容器的電容對理解電容的定義也有很大的幫助．

教材在探究影響平行板電容器電容的因素時,采用電容器和靜電計相連的實驗裝置,通過調(diào)節(jié)兩極板正對面積、調(diào)節(jié)兩極板間距或改變兩極板間電介質(zhì)等,觀察靜電計張角的變化,進一步推導電容的變化規(guī)律,如圖3所示．這個實驗的優(yōu)點是能讓學生清晰地看到當兩極板正對面積、兩極板間距、兩極板間電介質(zhì)發(fā)生變化時,電容器兩極板間電勢差是怎么變化的．

筆者在實際教學過程中沒有首先做該實驗,而是在得出平行板電容器的電容與正對面積、極板間距及極板電介質(zhì)的關系后再做該實驗,以驗證電容與這三者的關系．之所以這樣做,筆者覺得這種間接推導的變化關系不直觀,不符合高中生的認知水平和邏輯發(fā)展水平．

(甲) 保持Q和d不變，改變兩板的正對面積S，觀察電勢差U的變化，判斷電容C的變化.

(乙) 保持Q和S不變，改變兩板的距離d，觀察電勢差U的變化，判斷電容C的變化.

(丙) 保持Q、S、d不變，插入電介質(zhì)，觀察電勢差U的變化，判斷電容C的變化.

據(jù)此,筆者在教學過程中采用如下方法:用數(shù)字式多用電表直接測量平行板的電容值,然后分別改變兩極板正對面積、兩極板間距、兩極板間電介質(zhì),可以很直觀獲得平行板電容器電容與正對面積、極板間距及電介質(zhì)的關系．這種用多用電表測量電容的方法,不僅可以激發(fā)學生的創(chuàng)新思維,還培養(yǎng)了學生學以致用、與時俱進的科學思想．

5 電容器對交變電流的影響

如圖4將燈泡和電容器分別接到直流電源和交流電源上．讓學生觀察對比兩個電路中燈泡的發(fā)光情況．

通過實驗現(xiàn)象的對比我們可以看出電容器對交流、直流的影響的差異,也能更好地得出電容器通交流隔直流的結論．

圖4

圖5

如圖5,將電路接入帶功率輸出的信號發(fā)生器上,改變交變電流的頻率和更換電容器,觀察兩盞電燈的亮度將如何改變．通過實驗現(xiàn)象的對比我們可以得出電容器對交流電路的阻礙作用隨著電容的增大而減小,隨著頻率的增大而減?。?/p>

電容器對交流電路的影響中學階段不要求定量,對于定性的要求通過“見”來構建．“見”是基礎，是知識的生長的起點．

6 電容在技術上的應用

圖6

電子技術中,從某一裝置輸出的電流常常既有交流成分,又有直流成分．如果只需要把交流成分輸送到下一級裝置,只要在兩級電路之間接入一個電容器(稱為隔直電容器)就可以了．電流通過電容器后,只能是交流部分通過電容器到達后一級裝置．

反過來,如果只需要把直流成分輸送到下一級裝置,只需要將電容器與電阻并聯(lián),交流成分經(jīng)過電阻旁邊的電容器(稱為旁路電容器),直流成分不能通過電容器而通過電阻,這樣負載電阻上的交流成分就更少了．

學習進階能保證科學課程內(nèi)容的連貫性,使各學段所學內(nèi)容具有良好的關聯(lián)和銜接,這是實現(xiàn)“少而精”的科學課程理念的關鍵．與此同時,整合與發(fā)展己成為當代基礎教育科學課程改革的核心理念,“整合”是指用核心概念組織課程內(nèi)容,“發(fā)展”則是指構建出核心概念的學習進階．

對于“電容器電容”的學習進階的各中間水平給出了對學生學習成就的預期,為教師和學生提供了清晰的目標,實際上也可為最終理解“電容器電容”概念提供了“線路圖”．

1 張曉華.關于人教版“電容器的電容”教材編寫的一點拙見[J].物理教師，2016(4)：21-23.

2016-10-17)