賴 君 張軍朋

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

在“電容器的電容”的教學(xué)中，應(yīng)用靜電場的知識分析電容器充放電過程以及電容器電容概念的建立是教學(xué)難點(diǎn)，做好相應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)，有利于突破教學(xué)難點(diǎn).但目前教學(xué)中相關(guān)演示實(shí)驗(yàn)的實(shí)際效果不盡人意.我們在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對其中3個演示實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)做了改進(jìn)，以期達(dá)到優(yōu)化演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)演示實(shí)驗(yàn)的效果，拓展演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)空間的目的.

1 優(yōu)化電容器充放電實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

人教版教材所介紹的實(shí)驗(yàn)方案使用靈敏電流計(jì)顯示電容器充放電電流的大小和方向，電路圖如圖1所示.但在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象不夠直觀和明顯.為了更加直觀地顯示電容器的充放電電流，可用發(fā)光二極管代替靈敏電流計(jì)來做這個實(shí)驗(yàn)，電路圖如圖2所示.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象可視性明顯增強(qiáng).

圖1 傳統(tǒng)電容器充放電電流演示實(shí)驗(yàn)電路圖

圖2 改進(jìn)的電容器充放電電流演示實(shí)驗(yàn)電路圖

在教學(xué)上，教師往往忽視演示中觀察的指引和思維的引導(dǎo).為增強(qiáng)演示的教學(xué)效果，應(yīng)該讓學(xué)生帶著問題進(jìn)入實(shí)驗(yàn)，帶著問題觀察實(shí)驗(yàn)，帶著問題思考實(shí)驗(yàn).

具體的教學(xué)過程如下.

問題1:電容器充電過程中，導(dǎo)線上是否有電流？

學(xué)生可能想到：電容器兩極板間是絕緣介質(zhì)，不可能有電荷通過；但是既然電源能夠給電容器充電，必定有電流通過導(dǎo)線.由此產(chǎn)生認(rèn)知沖突，希望通過實(shí)驗(yàn)解決問題.課件如圖3(a)所示.

圖3 部分課件截圖

問題2：究竟有沒有電流，我們要通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn).用什么檢驗(yàn)電流？

學(xué)生可能想到電流表、燈泡等等.

問題3:什么既可以顯示是否有電流，又可以直觀地顯示電流的方向？

多數(shù)學(xué)生能夠想到發(fā)光二極管.課件如圖3(b)所示.

問題4: 假設(shè)導(dǎo)線上的電流方向與二極管導(dǎo)通方向相反會怎樣？如何解決這個問題？

學(xué)生會想到將兩個二極管以相反的導(dǎo)通方向并聯(lián)起來接入電路中，課件如圖3(c)、圖3(d)所示.

問題5:要檢驗(yàn)電容器的充電電流，應(yīng)該怎樣完善電路.

學(xué)生根據(jù)提示設(shè)計(jì)出圖2所示電路圖.

2 優(yōu)化電容器火花放電實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

人教版的高中《物理·選修3-1》教師用書介紹了電容器的火花放電實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)用于研究電容器的電荷量與電勢差的定性關(guān)系.但書中對實(shí)驗(yàn)的操作只做了如下介紹：“分別用8 V和16 V電壓給一個確定的電容器(25 V，4 700 μF)充電，然后再放電”，對器材的選擇、操作的技巧沒有詳細(xì)的說明.有教師給出過具體的實(shí)驗(yàn)方案,電路圖如圖4所示[1].這一實(shí)驗(yàn)方案需要用到直流高壓電源，對放電針的材料和形狀有較高要求，實(shí)驗(yàn)裝置制作起來也比較困難.也有教師用細(xì)導(dǎo)體連接兩極板放電，操作雖簡單，但火花微弱，現(xiàn)象不明顯.筆者經(jīng)過多次嘗試，發(fā)現(xiàn)只需要對電容器作簡單的改裝，便可以實(shí)現(xiàn)震撼的實(shí)驗(yàn)效果.改進(jìn)方案如下.

圖4 電容器火花放電實(shí)驗(yàn)電路圖

選用耐壓63 V，電容為47 000 μF的大電容，用長螺絲替換電容器兩極的短螺絲,如圖5所示，用學(xué)生電源給電容器充電，讓電容器兩極板的電勢差分別為10 V,20 V,30 V，用剪刀連接電容器的兩極放電.具體操作方法是：用剪刀金屬部分的底端接觸其中一極，剪刀金屬部分的另一端逐漸靠近電容器的另外一極，由于螺絲表面和剪刀刀刃都存在鋸齒狀尖端，二者靠近時(shí)便會產(chǎn)生劇烈的電火花，電壓越高，放電電火花越劇烈，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖6所示.不同電壓下電火花的強(qiáng)弱程度對比明顯，電火花炫目，有震撼力，向?qū)W生展示了物理的自然美.

圖5 電容器改裝示意圖

(a)

(b)

(c)

在該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方面，建議將其與定量探究電容器電荷量與電勢差的關(guān)系實(shí)驗(yàn)“串聯(lián)”，構(gòu)成從定性到定量的實(shí)驗(yàn)探究過程.一方面,該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚧钴S課堂氛圍、吸引學(xué)生的注意力，讓學(xué)生更有興趣進(jìn)行后續(xù)的學(xué)習(xí)；另一方面，它能夠給學(xué)生提供對電容器電荷量與電勢差的定量關(guān)系進(jìn)行猜想的依據(jù).從定性到定量進(jìn)行探究，更加符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn).

具體的教學(xué)過程如下.

師：從對電容器充放電過程的分析中，我們發(fā)現(xiàn)電容器的電荷量與兩極板間的電勢差總是同步變化的，那么它們之間是不是有一定的關(guān)系呢？請同學(xué)們先看一個實(shí)驗(yàn).這里有3個完全相同的電容器，用學(xué)生電源充電，讓它們的電壓分別為10 V,20 V和30 V.現(xiàn)在，請一位同學(xué)上來用一把剪刀連接兩極板，讓電壓為10 V的電容器放電，大家猜會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

生：驚嘆.(操作的學(xué)生被嚇了一跳.)

師：出現(xiàn)了電火花！接著讓我對電壓為20 V和30 V的電容器放電，請同學(xué)們注意比較兩次放電電火花的強(qiáng)弱.請同學(xué)們總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

生：電壓越高，電火花越劇烈.

師：電火花越劇烈，就說明電容器儲存的電荷量越多.那么實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明電容器的電荷量與電勢差之間有什么關(guān)系？

生：電容器的電荷量與電勢差成正相關(guān).

師：很好.但是物理并不滿足于定性的結(jié)論，它們之間有沒有定量的關(guān)系呢？請同學(xué)們猜想電容器的電荷量與電勢差的定量關(guān)系.

3 顯化演示實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)方法

圖7 電容器的電荷量與電勢差關(guān)系的定量實(shí)驗(yàn)裝置

用倍分法探究電容器的電荷量與電勢差的關(guān)系，應(yīng)該重點(diǎn)突出科學(xué)方法的應(yīng)用和遷移.

在教學(xué)中如果直接給出實(shí)驗(yàn)裝置向?qū)W生解釋原理，學(xué)生很難體會實(shí)驗(yàn)中的科學(xué)方法，該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值就不能得到充分的體現(xiàn).要讓學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)中等量平分的思想和轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)方法，應(yīng)該將其顯化，并讓學(xué)生應(yīng)用它來解決實(shí)際問題.可以先將“如何測量電荷量”的難題拋給學(xué)生；用科學(xué)家的故事將科學(xué)方法顯化，啟發(fā)學(xué)生思考；在教師的指引下，學(xué)生主動探索解決問題的方法，領(lǐng)悟其中的科學(xué)方法和科學(xué)思想.具體教學(xué)過程如下.

問題6：想要探究電容器的電荷量與電勢差的關(guān)系需要測量什么？怎么測？

問題7:電壓表應(yīng)該選擇指針式電壓表還是數(shù)字電壓表？

問題8：沒有直接測量電荷量Q的儀器，怎么辦？

問題9:(啟發(fā)學(xué)生將電容器與金屬球類比)庫侖找了兩個完全相同的金屬球，而我們研究的對象是電容器，那應(yīng)該如何做？

問題10:庫侖讓一個小球帶電荷量為Q，我們該怎么做？

問題11:怎樣讓其中一個電容器帶電，另一個不帶電？兩小球相接觸電荷量就平分，那么電容器該怎樣才能平分電荷量？電容器要串聯(lián)還是并聯(lián)？

問題12:怎樣實(shí)現(xiàn)電荷量的再次平分？

4 結(jié)束語

綜上所述，演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能的實(shí)現(xiàn)離不開符合目的的演示和現(xiàn)象的觀察，更離不開演示過程中教師對觀察的指導(dǎo)和思維的指引，而這一切的教學(xué)基礎(chǔ)在于基于實(shí)踐的科學(xué)有效的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和教學(xué)設(shè)計(jì).本文“電容器的電容”演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和教學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，即為上述演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想的具體體現(xiàn).

1 傅以東. 電容器電容的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì). 教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2004，20(3):24

2 李新鄉(xiāng)，張軍朋. 物理教學(xué)論. 北京：科學(xué)出版社，2005.254～260

3 劉力. 新課程理念下的物理教學(xué)論. 北京：科學(xué)出版社，2007.120～125

4 李明，柴宏良. 利用倍分法設(shè)計(jì)和改進(jìn)電容器實(shí)驗(yàn). 物理通報(bào)，2015(4):67～69

5 肖麗英. 從定性感知走向定量描述 讓思維發(fā)展從元認(rèn)知出發(fā)——以“電容器的電容”教學(xué)為例. 物理教師，2015，36(4):27～29