王習(xí)元張洪明

(淮安市欽工中學(xué) 江蘇 淮安 223200) (寧波北侖明港高級中學(xué) 浙江 寧波 315800)

1 提出問題

圖1 電容器充放電示意圖

2 實(shí)驗(yàn)原理

圖2 定性觀察電流變化和定量探究Q-U關(guān)系的實(shí)驗(yàn)電路圖

3 實(shí)驗(yàn)材料

固定用長方形木板一塊,長75 cm,寬45 cm左右，底座木板，長80 cm,寬19 cm,干電池盒和4節(jié)1.5 V新的干電池，9個(gè)單刀雙擲開關(guān)，25 V,1 000 μF電解電容器5個(gè)，25V,4 700 μF電解電容器5個(gè)，小燈泡的燈座11個(gè)，直流長鳴蜂鳴器3～25 V 2個(gè)，3 V白光發(fā)光二極管1個(gè)，紅光發(fā)光二極管3 V 1個(gè)，紅色藍(lán)色黑色導(dǎo)線若干，固定用螺絲若干.

4 制作過程

(1)準(zhǔn)備好制作材料，先畫好電路圖.

(2)將小燈泡底座側(cè)面用電鉆鉆出合適的小孔.然后將底座中間的固定銅圈去掉，將發(fā)光二極管和電容器的兩個(gè)引腳(長正短負(fù))分別接到接線柱的紅黑端銅片上，如圖3(a)，(b)所示.

圖3 發(fā)光二極管和電容器的兩個(gè)引腳與接線柱的連接

(3)將已經(jīng)固定在小燈泡底座上的10個(gè)電容器先擺放在固定板上，同時(shí)放好9個(gè)單刀雙擲開關(guān).調(diào)整合適的間距.然后在固定板上用鉛筆畫好連線位置.

(4)用十字螺絲刀固定好10個(gè)電容器和單刀雙擲開關(guān).

(5)用導(dǎo)線連接好開關(guān)和電容器，再向左固定兩個(gè)蜂鳴器，如圖4所示.將直流蜂鳴器的紅黑接線正反并聯(lián)對接，然后向左連接到兩個(gè)固定在小燈泡底座上的白色和紅色發(fā)光二極管，注意二極管的正負(fù)極.

圖4 固定兩個(gè)蜂鳴器

(6)在固定板的左側(cè)固定一個(gè)單刀雙擲開關(guān)，用來給電容器充電和放電時(shí)使用.最左側(cè)固定好電池組4節(jié)干電池,最大電壓6 V.在固定面板中間合適位置固定好兩根長螺絲用來放手機(jī)錄音充電和放電時(shí)的聲音變化(手機(jī)的聽筒位置靠近蜂鳴器).

(7)最后用直角固定件，固定豎直固定板和底座木板.制作完成后如圖5所示.

圖5 完成后的實(shí)驗(yàn)電路實(shí)物圖

5 實(shí)驗(yàn)操作

(1)根據(jù)圖2閉合開關(guān)S0到1位置，電流從左向右通過二極管(發(fā)白光)，蜂鳴器發(fā)出從強(qiáng)到弱的聲音.聲音大小與充電電流大小成正比，可以用智能手機(jī)錄下聲音，觀察聲音振幅變化，聲音振幅變化反映出電容器充電時(shí)電流大小變化.

(2)如圖2所示，閉合開關(guān)S0到2位置，電流從右向左通過二極管(發(fā)紅光)，蜂鳴器發(fā)出從強(qiáng)到弱的聲音.可以用智能手機(jī)錄制下聲音，觀察聲音振幅變化，聲音振幅變化反映出放電時(shí)電流大小變化，播放錄音如圖6所示，可以直接看出電流的變化情況.

圖6 充放電錄音播放時(shí)聲音振幅變化

(3)如圖2所示，再次閉合開關(guān)S0到1位置，對電容器C1充電，充電完畢后斷開開關(guān)S0.設(shè)此時(shí)電容器C1的帶電荷量為2Q.

(5)如圖2所示，閉合開關(guān)S1到4位置，電容器C2與C3之間是并聯(lián)(二者完全相同)，并聯(lián)后所帶

6 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示，開始測量時(shí)電容器帶電荷量為零時(shí)的電壓也為零.將對應(yīng)讀出的數(shù)據(jù)輸入到電子表格當(dāng)中如表1所示.

電荷量電壓 0.125Q0.250Q0.500Q0.750Q1.000Q第1組電容(25 V,1 000 μF) U/V第2組電容(25 V,4 700 μF) U/V

圖7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

圖8 U1-Q1關(guān)系圖

圖9 U2-Q2關(guān)系圖

下面將兩組函數(shù)關(guān)系在同一坐標(biāo)系中做出來，根據(jù)C1=1 000 μF,C2=4 700 μF,在取相同電壓時(shí)Q2=4.7Q1，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入表2中繪圖如圖10所示.

表2 取相同電壓時(shí)，Q1與Q2數(shù)據(jù)

圖10 表2數(shù)據(jù)得到的關(guān)系圖

圖11 兩組電容器的參數(shù)對比

7 儀器優(yōu)點(diǎn)

(1)通過視覺和聽覺兩種感官定性感受到電容器在充電和放電過程中電流是逐漸減小的，利用白色和紅色二極管演示充電電流和放電電流方向相反.采用二極管降低了對電容器的電容要求.如果想要達(dá)到使小燈泡發(fā)光需要180 000 μF的電解電容器，體積非常大，而且小燈泡無法顯示出電流的方向，而發(fā)光二極管恰好可以解決這個(gè)問題.實(shí)驗(yàn)中通過智能手機(jī)錄音軟件可以將電流的變化通過聲音振幅的變化表現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)了電流的間接可視化.用手機(jī)做實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了用生活物品來做物理實(shí)驗(yàn)，將物理與生活緊密結(jié)合.

(4)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分布十分對稱，比較以往倍減法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在后面部分有較大的數(shù)據(jù)空白區(qū)，此實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)非常完美.數(shù)字萬用表電壓檔內(nèi)阻一般為10 MΩ且不隨改變量程而變化，克服了指針式電壓表內(nèi)阻不夠大測量電容器電壓時(shí)電容器放電影響帶電荷量變化導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差增大.實(shí)驗(yàn)中使用的電源是干電池?cái)y帶方便，單刀雙擲開關(guān)是實(shí)驗(yàn)室標(biāo)配，電解電容器淘寶大約5.8元10個(gè)包郵，蜂鳴器2.5元1個(gè)，二極管10個(gè)1包幾元錢，實(shí)驗(yàn)成本較低具有普遍推廣的價(jià)值.