陳 嶺 李鳳英

(鄒城市第一中學,山東 濟寧 273500)

在教學實踐中,筆者通過創(chuàng)新實驗方案,有效地突破了上述實驗的兩大難點,現將實驗方案整理如下．

1 實驗原理

本實驗利用控制變量法,定量探究平行板電容器的電容與其極板正對面積和極板間距之間的關系,通過相同電容器的并聯(lián)實現其極板正對面積的改變,通過相同電容器的串聯(lián)實現其極板間距離的改變．

2 實驗器材

干電池,規(guī)格相同的鋁電解電容器5個(50 V,100 μF),電壓傳感器(一套),電腦(一臺),開關(5個),導線若干．

3 實驗步驟

(1) 鋁電解電容器A(電容設為C0,極板正對面積設為S0,極板間距離設為d0)充電后與電源斷開,設其所帶電荷量為Q,并依次與相同的且不帶電的電容器B、C、D、E并聯(lián),并聯(lián)后的電容器組可看作是僅改變了極板正對面積的等效電容器A′．實驗通過倍增法來改變電容器A的極板正對面積S,實驗電路圖如圖1所示．

圖1

實驗具體步驟如下:

① 閉合開關S1,其他開關仍保持斷開狀態(tài),學生電源給電容器A充電,通過電壓傳感器讀出A充電后兩極板間有電勢差U1,極板正對面積設為S,其所帶電荷量設為Q．

② 斷開開關S1,閉合開關S2,其他開關仍保持斷開狀態(tài),電容器組極板正對面積變?yōu)?S,通過電壓傳感器記錄電容器A兩極板間的電勢差U2．

③ 依次閉合開關S3、S4、S5,其他開關的狀態(tài)仍保持不變,電容器組極板正對面積依次變?yōu)?S、4S、5S,通過電壓傳感器依次記錄A兩極板間的電勢差U3、U4、U5,

④ 將實驗數據填入表1中.

表1

⑤ 以電容C為縱軸,極板正對面積S為橫軸,做出其C-S圖像,如圖2所示．

分析圖像可得:在實驗誤差允許范圍內,平行板電容器的電容C與其極板正對面積S成正比．

該步操作的注意事項:電源用1節(jié)1.5V干電池(新),實驗中電鍵的閉合、斷開要快速,盡量減少電容器所帶電量的損失．

圖2

圖3

(2) 鋁電解電容器A(電容設為C0)依次與相同的且不帶電的電容器B、C、D、E串聯(lián),串聯(lián)后的電容器組可看作是僅改變了極板間距離的等效電容器A′．實驗通過倍增法來改變電容器A的極板間距離d,實驗電路圖如圖3所示．

實驗具體步驟如下:

① 閉合開關S0、S2、S3、S4和S5,開關S1仍保持斷開狀態(tài),電源給電容器A充電,通過電壓傳感器讀出A充電后兩極板間有電勢差UA1,其所帶電荷量記為Q1．

② 先斷開開關S0,再閉合開關S1,其他開關的狀態(tài)保持不變,讓電容器A完全放電．

③ 先斷開開關S1、S2,A與B串聯(lián)后等效電容器A′極板間距離為2d,再閉合開關S0,電源給等效電容器A′充電,通過電壓傳感器記錄電容器A兩極板間的電勢差UA2．

④ 先斷開開關S0,再閉合開關S1、S2,讓等效電容器A′完全放電．

⑤ 先斷開開關S1、S2、S3,A、B與C串聯(lián)后等效電容器A′極板間距離為3d,再閉合開關S0,電源給等效電容器A′充電,通過電壓傳感器記錄A兩極板間的電勢差UA3．

繼續(xù)重復以上過程,直到把所有電容器都串聯(lián)進去．

⑥ 將實驗數據填入表2中

表2

續(xù)表

⑦ 以電容C為縱軸,極板間距離d為橫軸,做出其C-d圖像,如圖4所示．

圖4

表3

圖5

分析圖像可得:在實驗誤差允許范圍內,平行板電容器的電容C與其極板間距離d成反比．

該步操作的注意事項:電源用3節(jié)1.5V干電池(新),實驗中每次讓電容器放電的時間稍長一點,保證電容器的電荷量放凈．

綜上所述:在實驗誤差允許范圍內,平行板電容器的電容C與其極板正對面積S成正比;與其極板間距離d成反比．