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        定量探究電容的定義式和決定式*

        2020-05-18 11:55:28渠雷雷
        物理通報 2020年2期
        關(guān)鍵詞:定義探究實(shí)驗(yàn)

        渠雷雷

        (蚌埠第二中學(xué) 安徽 蚌埠 233000)

        人教版高中《物理·選修3-1》第一章第8節(jié)“電容器的電容”一節(jié)中通過定性實(shí)驗(yàn)“電容器的充、放電過程”以及類比“水容器”直接給出電容的定義式.在“探究平行板電容器電容決定式”時是利用定性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行處理,然后直接給出結(jié)論.筆者通過自制實(shí)驗(yàn)器材并利用數(shù)字化傳感器定量探究出電容的定義式;借助數(shù)字電容表自制教具“疊層式電容器組”,實(shí)現(xiàn)對平行板電容器電容決定式的定量探究.

        1 定量探究電容的定義式

        1.1 設(shè)計制作原理

        根據(jù)圖1所示原理圖制作出實(shí)物裝置如圖2所示,當(dāng)某個電容器接入電路后,電鍵分別接b和a時對應(yīng)電容器的充、放電過程,利用電流傳感器可實(shí)時記錄電容器的充、放電電流隨時間變化的規(guī)律.如圖3所示,橫軸上方的圖像表示充電過程中電流隨時間變化的規(guī)律,橫軸下方的圖像表示放電過程中電流隨時間變化的規(guī)律.

        圖1 探究電容定義式實(shí)驗(yàn)電路

        圖2 探究電容定義式實(shí)驗(yàn)裝置

        圖3 數(shù)字化軟件記錄充放電過程

        圖像與橫軸包圍面積的物理意義即為充、放電的電荷量,通過數(shù)字化專用軟件分別計算出圖像與橫軸包圍的面積分別為0.225 843和0.218 277,可以看出在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi),充、放電電荷量相同.

        1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及結(jié)論

        選定某一電容器,分別在電容器上加不同數(shù)值的電壓,多次對其充電,通過傳感器得到對應(yīng)的電荷量,探究電容器所帶電荷量Q與所加電壓U之間的關(guān)系.將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入Excel表格,并作出Q-U圖像如圖4所示.

        從圖4所示的Q-U圖像中可以看出對于給定的電容器,存儲電荷量與所加電壓成正比,比值為一常量,這個比值定義為電容.

        2 定量探究電容的決定式

        2.1 設(shè)計制作原理

        本實(shí)驗(yàn)裝置是利用控制變量的思想定量探究平行板電容器電容C與正對面積S和板間距d的關(guān)系.板間距d和正對面積S的定量表達(dá)如下.

        (1)鋁箔紙間夾兩層PVC塑料紙,就構(gòu)成兩極板間距為2d的電容器,如圖5所示.

        (2)2個正對面積為S0、極板間距為d的電容器并聯(lián),就構(gòu)成一個正對面積為2S0、極板間距為d的電容器,按此原理,制作電容器組,如圖6所示.

        圖5 平行板電容器板間距的定量表達(dá)

        圖6 平行板電容器正對面積的定量表達(dá)

        采用木工板與亞克力板將上述多組電容器組緊密封裝在一起,最后的成品及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效圖如圖7所示.

        圖7 探究平行板電容器電容決定式的裝置及結(jié)構(gòu)

        2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及結(jié)論

        (1)探究電容器極板間距d相同,電容C與正對面積S的關(guān)系.

        利用數(shù)字多用電表測(A1,B1)(A2,B2)及(A1A2,B1B2)間電容大小,測得的數(shù)據(jù)及結(jié)論如表1所示.

        (2)探究電容器正對面積S相同,電容C與極板間距d的關(guān)系.

        利用數(shù)字多用電表測量(A2,B2)、(A3,B3)及(A4,B4)間電容大小,測得的數(shù)據(jù)及結(jié)論如表2所示.

        表1 探究電容C與正對面積S的關(guān)系

        表2 探究電容C與極板間距d的關(guān)系

        3 反思和體會

        以上兩個方案是筆者在“電容器的電容”教學(xué)中的有益嘗試,通過現(xiàn)代教育技術(shù)手段來定量探究電容的定義式及決定式,一定程度上有效地幫助教師突破了教學(xué)的難點(diǎn),同時也使得學(xué)生對于概念的建立和規(guī)律的理解更為準(zhǔn)確深刻.

        為加快教育現(xiàn)代化和教育強(qiáng)國建設(shè),推進(jìn)新時代教育信息化發(fā)展,2018年4月教育部印發(fā)了《教育信息化2.0行動計劃》,其中明確指出:“大力提升教師信息素養(yǎng),推動教師主動適應(yīng)信息化、人工智能等新技術(shù)變革,積極有效開展教育教學(xué)……實(shí)施新周期中小學(xué)教師信息技術(shù)應(yīng)用能力提升工程,以學(xué)校信息化教育教學(xué)改革發(fā)展引領(lǐng)教師信息技術(shù)應(yīng)用能力提升培訓(xùn).”

        作為新時代的一線教師,在日常教學(xué)中應(yīng)主動踐行信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合,促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成.

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