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        恒流電源在電容定義教學(xué)中的應(yīng)用

        2020-10-21 05:09:34楊杰
        青年生活 2020年20期
        關(guān)鍵詞:定量分析

        摘要:現(xiàn)行的人教版高中《物理·選修3-1》對(duì)電容作了如下定義:電容器所帶的電荷量Q與電容器兩極板間的電勢(shì)差U的比值,叫做電容器的電容。本文設(shè)計(jì)了一種恒流電源為電容器充電,在充電過(guò)程中監(jiān)控電流大小以計(jì)算電容器充電量,利用電壓表測(cè)量電容器兩端電壓,最后分析充電量和電壓數(shù)據(jù),從而得到電容的定義。

        關(guān)鍵詞:恒流電源;電容定義;定量分析

        電容器是社會(huì)生活中極為常見(jiàn)的電子元件,盡管它的種類和形式繁多,但各種電容器的工作原理都是相同的。現(xiàn)行的人教版高中《物理·選修3-1》第一章《靜電場(chǎng)》對(duì)電容作了如下定義:電容器所帶的電荷量Q與電容器兩極板間的電勢(shì)差U的比值,叫做電容器的電容。傳統(tǒng)的課堂教學(xué),教師大多把電容器能夠容納電荷的多少,形象地類比容器裝水,以此分析電容器的充電、放電與容器的儲(chǔ)水放水的聯(lián)系,但是學(xué)生依舊對(duì)電容器的物理模型與工作機(jī)制認(rèn)識(shí)模糊。

        為使學(xué)生能夠深刻地理解電容的概念,本文介紹了一種可以進(jìn)行定量分析的演示教具,學(xué)生可以從邏輯上更好地接受電容定義的描述。

        一、儀器電路圖

        實(shí)驗(yàn)裝置如圖1示,虛線框內(nèi)是由9V方電池、電位器R1、三極管、發(fā)光二極管、定值電阻R2構(gòu)成的恒流電源電路,電容器是待測(cè)的,微電流傳感器用于監(jiān)測(cè)充電電流,電壓傳感器用于測(cè)量電容器的電壓,開(kāi)關(guān)用于控制電容器充電。調(diào)節(jié)R1可得到不同的恒定電流,R2起限流作用,防止發(fā)光二極管燒毀。

        二、實(shí)驗(yàn)原理

        實(shí)驗(yàn)原理是根據(jù)Q=It,只要測(cè)出充電電流的大小和充電的時(shí)間,即可得出電容器所帶的電量Q,再通過(guò)電壓表測(cè)量電容器充電后的電壓U,通過(guò)觀察Q與U的比值說(shuō)明電容器所帶電量與電容器兩極間的電勢(shì)差成正比。本教具可以演示的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括電容器所帶的電荷量與電容器兩極間的電勢(shì)差成正比,其比值是一個(gè)常量。

        三、教具制作方法

        材料準(zhǔn)備:木板一塊,微電流傳感器,電壓傳感器,9V電池一個(gè),100kΩ電位器一個(gè),220Ω電阻一個(gè),綠光LED一只,三極管一只(s9012),電容器兩只,船形開(kāi)關(guān)一只,香蕉插頭兩對(duì),木盒一個(gè)。用軟件在電腦上畫(huà)好電路圖,然后用激光雕刻機(jī)將電路圖刻到木板上,做成教具的面板。

        將元件安裝到面板上的相應(yīng)位置,注意發(fā)光二極管的正負(fù)。用導(dǎo)線將各元件按照電路圖的連接關(guān)系連接起來(lái),各個(gè)連接點(diǎn)也用用熱熔膠固定,以防松脫。裝上電池,接入待測(cè)電容器,測(cè)試充電電流是否可以調(diào)節(jié),電容器電壓是否可以測(cè)量。測(cè)量完成后,將面板放入木盒中,完成安裝?。

        四、使用方法

        1.調(diào)節(jié)充電電流:將待測(cè)電容器接入電路板,閉合開(kāi)關(guān),調(diào)節(jié)電位器R1,使充電電流達(dá)到100μA。

        2.電容器放電:開(kāi)關(guān)保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài),將待測(cè)電容器兩極短路使其充分放電,然后再接入電路中。

        3.測(cè)量數(shù)據(jù):接入電壓傳感器,設(shè)置電壓傳感器采樣時(shí)間為10秒,即閉合開(kāi)關(guān)后每10秒鐘記錄一次電壓值。

        4.將測(cè)量的數(shù)據(jù)記錄到表格中。

        更換另一個(gè)電容器重復(fù)上述步驟,分析數(shù)據(jù),總結(jié)結(jié)論。

        五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

        通過(guò)上述操作,我們可以總結(jié)以下結(jié)論:

        在誤差允許的范圍內(nèi),電容器所帶的電荷量與電容器兩極間的電勢(shì)差成正比,其比值是一個(gè)常量。

        對(duì)于不同的電容器,這個(gè)比值不同。

        六、總結(jié)

        諸多電容器的演示實(shí)驗(yàn)中僅對(duì)電容器做了定性分析,本實(shí)驗(yàn)可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)電容器進(jìn)行定量分析,通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接得出電容器的電容量,讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程。本教具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、取材容易,操作方便,采用電流和電壓傳感器,采集數(shù)據(jù)方便準(zhǔn)確,能讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)的方法學(xué)習(xí)電容的概念,有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能和科學(xué)精神。

        參考文獻(xiàn)

        [1]陳錦華.用恒流源定量探究電容器 Q與 U 的比值.數(shù)理化解題研究[J]:2019(10).

        [2]龔文軍.“電容”定義的創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì).數(shù)理化解題研究[J]:2018(18).

        [3]王旭.電容定義式的探究性教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)錄.實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器[J]:2016(5).

        作者簡(jiǎn)介:姓名:楊杰(1984-),性別:男,民族:漢族,籍貫:廣西桂平,學(xué)歷:本科,學(xué)士學(xué)位,職稱:實(shí)驗(yàn)師,主要研究方向:物理學(xué)

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