劉莉

摘 要：觀察電容器充放電現(xiàn)象是新課標(biāo)要求的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，該現(xiàn)象是暫態(tài)過(guò)程，不易觀察。本文通過(guò)對(duì)電容器充放電過(guò)程的分析，明確可觀察的現(xiàn)象，就怎樣實(shí)驗(yàn)才能觀察到相關(guān)現(xiàn)象提出了可行的實(shí)驗(yàn)方法。

關(guān)鍵詞：電容器；充放電；實(shí)驗(yàn)；方法

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）11-0006-2

觀察電容器充放電現(xiàn)象是現(xiàn)行高中物理教材中的一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，新頒布的高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)將其列為學(xué)生實(shí)驗(yàn)。電容器充放電是一個(gè)暫態(tài)過(guò)程，過(guò)程時(shí)間短，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不易觀察，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)。怎樣才能做好這個(gè)實(shí)驗(yàn)？下面是筆者的一些思考和做法。

1 充放電過(guò)程分析

電容器充電是電容器儲(chǔ)存電荷的過(guò)程。如圖1所示的電路，開(kāi)關(guān)S與1連接后，與電源正極相連的金屬極板上的負(fù)電荷經(jīng)電源向與電源負(fù)極相連的金屬極板移動(dòng)，電容器的帶電量逐漸增加，極板間電壓逐漸增大，充電電流逐漸減小。當(dāng)電容器極板間電壓增大到與電源電壓相同時(shí)，充電完畢，電流減小到零，與電源正極相連的金屬極板失去負(fù)電荷帶正電，與電源負(fù)極相連的金屬極板得到負(fù)電荷帶等量負(fù)電。

電容器放電是電容器釋放電荷的過(guò)程。充電后再把開(kāi)關(guān)S與2 連接，負(fù)極板上的負(fù)電荷經(jīng)過(guò)燈泡不斷流向正極板與其上的正電荷中和，電容器的帶電量逐漸減少，極板間電壓逐漸減小，充電電流逐漸減小，直到電荷釋放完，電壓、電流減小到零。

從上面的分析可知，電容器在充放電過(guò)程中，隨著帶電量的變化，兩板間的電壓會(huì)變化，電路中的電流也會(huì)變化。實(shí)驗(yàn)時(shí)若能讓學(xué)生觀察到電壓和電流的變化，并能通過(guò)觀察到的電壓和已知的電容器電容，由Q=CU判斷其帶電量的變化，不但可使學(xué)生對(duì)充放電過(guò)程有較好的理解，也可以提高學(xué)生觀察短暫物理過(guò)程的能力。

2 實(shí)驗(yàn)方法探究

2.1 實(shí)驗(yàn)方法1

要在實(shí)驗(yàn)中觀察到電容器充放電過(guò)程電流和電壓的變化，可在圖1電路中連接電流計(jì)和電壓表。實(shí)驗(yàn)時(shí)筆者選用4700 μF電容器，0-3-15 V電壓表，0-0.6 A-3 A電流表。按照?qǐng)D2 所示電路做實(shí)驗(yàn)，可以觀察到電壓表示數(shù)的明顯變化，但過(guò)程時(shí)間只有近4 s，很難觀察清楚電壓、電流的變化。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法2

根據(jù)電容器充放電過(guò)程的理論可知，串聯(lián)一個(gè)阻值較大的電阻，增大電容器的電容，使電阻的阻值和電容器的電容的乘積增大，可增長(zhǎng)充放電的時(shí)間。因此，可以通過(guò)選擇電容較大的電容器和阻值較大的電阻串聯(lián)做實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，筆者選用學(xué)生電源電壓直流9 V檔、4700 μF電解電容器，30 kΩ定值電阻、0-3-15 V電壓表和量程為300 μA的靈敏電流計(jì)，按照?qǐng)D3所示電路做實(shí)驗(yàn)。充電時(shí)間達(dá)到184 s，充電電流從280 μA逐漸減小到零，電容器兩極板間電壓從零逐漸達(dá)到穩(wěn)定值3.2 V。充電開(kāi)始快，逐漸減慢，直至充電結(jié)束。很容易觀察到充放電時(shí)的電流和電壓隨時(shí)間的變化。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法3

上面實(shí)驗(yàn)充電完后電容器兩端的電壓只有3.2 V，比電源電壓9 V小得多。分析電路可知，充電完畢后，由于電容器有隔直的作用，這時(shí)的電路相當(dāng)于電阻與電壓表串聯(lián)后再接在電源上，電容器兩端的電壓等于電壓表兩端的電壓。由于電源內(nèi)阻較小，相對(duì)串聯(lián)的電阻和電壓表的阻值可忽略不計(jì)。電壓表15 V量程的內(nèi)阻一般有十多千歐，而串聯(lián)的電阻為30 kΩ，所以最后電壓只有3.2 V。

電容器儲(chǔ)存的電荷Q=CU，所以若要增加儲(chǔ)存的電荷，需要增大充電完后電容器兩端的電壓。在圖3電路結(jié)構(gòu)不變和其他電路元件不變的條件下，只把電阻換成10 kΩ或20 kΩ的電阻做實(shí)驗(yàn)，電壓可增大到4.0 V、5.6 V，但仍距電源9 V有較大差距，同時(shí)充電電流最大值超過(guò)電流計(jì)的量程。為解決這個(gè)問(wèn)題，筆者選用數(shù)字萬(wàn)用表做實(shí)驗(yàn)，較好地解決了這個(gè)問(wèn)題，充電近300 s電容器兩端的電壓可達(dá)到8.97 V。充電完后，把圖3的開(kāi)關(guān)S撥到2，電容器放電。電容器兩端的電壓從8.97 V逐漸減小到零；電流反方向流動(dòng)，逐漸減小到零。

通過(guò)以上分析與探究，筆者認(rèn)為，為使實(shí)驗(yàn)有較好的效果，實(shí)驗(yàn)時(shí)電容器宜盡量選擇電容較大的電解電容，測(cè)電流和電壓最好用數(shù)字萬(wàn)用表，外接電阻可選擇10 kΩ～50 kΩ的定值電阻。

需要注意的是，實(shí)驗(yàn)時(shí)圖3電路中的電流計(jì)不能接成圖4的形式。若按照?qǐng)D4進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，充電完后，電流計(jì)不會(huì)減小為零，而是穩(wěn)定在一固定值。這是因?yàn)槌潆娡旰箅娏饔?jì)測(cè)的是通過(guò)電壓表的電流，不會(huì)為零。

（欄目編輯 趙保鋼）