梁良飛 林瑞河 吳中榮

(1. 福建師范大學(xué)泉州附屬中學(xué),福建 泉州 362000; 2. 泉州市第七中學(xué),福建 泉州 362000; 3. 泉州市鯉城區(qū)教師進修學(xué)校,福建 泉州 362000)

基于物理核心素養(yǎng)的高中物理教學(xué),以及新高考、新教材的同步推進實施帶來新的教學(xué)方式的變革,給每一位教師帶來極大的挑戰(zhàn).普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[1](2020年修訂)指出:“演示實驗是師生共同探究物理問題的學(xué)習(xí)方式,也是體驗性較強的學(xué)習(xí)方式,教師要積極利用各種器材,創(chuàng)新實驗方式,盡可能多地開發(fā)可視性強、證據(jù)性強、能引起學(xué)生濃厚興趣的演示實驗.”例如新魯科版高中物理教科書選擇性必修3第2章第5節(jié)“科學(xué)探究:電容器”的實驗中,雖然以靜電計、平行板電容器為核心器材進行探究平行板電容器的電容,但利用實驗室現(xiàn)有的平行板電容教學(xué)儀器,按照說明書上的方法操作,在南方潮濕氣候的影響下,該實驗很難演示成功.經(jīng)過筆者數(shù)次實驗,總結(jié)出導(dǎo)致該實驗難以成功的原因,主要有以下2點.

(1) 因天氣比較潮濕,導(dǎo)致空氣中離子密度有一定程度的變化,極板上的電荷很容易因潮濕的空氣漏電,靜電計上的電荷量也因此會慢慢放電,導(dǎo)致Q減少,所以無法滿足實驗過程中極板電荷量Q不變這一條件.

(2) 實驗室現(xiàn)有的器材只能作為演示用,在探究極板面積和間距的過程中,無法確保距離或者正對面積條件不變,從而難以控制變量,尤其插入介質(zhì)過程中沒有結(jié)構(gòu)依托,操作非常困難.

為解決上述問題,本文進行定量探究平行板電容器電容的簡易裝置設(shè)計.

1 項目思路

本教具整體設(shè)計思路:為了實現(xiàn)參數(shù)可視化,先利用光柵傳感器和電容傳感器分別測量距離及當(dāng)前距離下的電容值,然后利用單片機進行數(shù)據(jù)處理及打包,并將這些數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送給上位機,上位機接收數(shù)據(jù)包后進行數(shù)據(jù)解析并顯示相應(yīng)參數(shù),各個功能模塊如圖1所示.為了實現(xiàn)上述目標(biāo),首先利用開源3D軟件設(shè)計教具的底座并進行仿真,如圖2所示;然后利用3D打印機進行結(jié)構(gòu)打印并裝配,最終效果圖如圖3所示.

圖1 電器分析圖

圖2 教具構(gòu)造圖

圖3 實物圖

2 設(shè)計原理

2.1 電容器傳感器選型

若采用鋁板作為A、B極板,正對面積不大,并且距離較大時,電容量很小.為了能測量到很小的電容量,本實驗采用基于FDC2214電容式傳感器采集模塊.據(jù)芯片手冊顯示,FDC2214電容式傳感器是內(nèi)嵌式基于LC振蕩電路原理的電容器,是低功耗、低成本且高分辨率的傳感器,量程最大可以支持250 nF超大電容輸入,并且分辨率可以達(dá)到28位.經(jīng)測試,自制的平行板電容器的電容數(shù)量級約為10-9F,而芯片至少可以測量到0.0001 pF級別.本模塊經(jīng)過與勝利VC4090C高精度LCR數(shù)字電橋測試儀進行比對測試,發(fā)現(xiàn)誤差小于±0.5%,因此基于FDC2214芯片的電容采集模塊非常適合測量本項目的電容器容量.

2.2 距離傳感器選型

為了在課堂上能更高效更直觀地展示板間距離及正對面積,本教具采用H9730高精度光柵編碼器對板間移動進行高精度測量.而后利用單片機進行計算得出距離或者板間正對面積.然而,若教具都采用智能傳感器直接測量所需的數(shù)據(jù),雖然可以快速得到數(shù)據(jù),但很難培養(yǎng)學(xué)生的動手能力,也無法幫助他們掌握核心物理原理,很難提升學(xué)生的核心素養(yǎng).故本教具還設(shè)計類似游標(biāo)卡尺刻度的功能,并利用激光打印機在亞銀紙上打印,貼在教具底座上.這樣在實際探究時,隨著滑塊的移動,學(xué)生可以通過自制游標(biāo)卡尺讀出A、B鋁板間距離并和傳感器采集的數(shù)據(jù)進行對比,從而驗證自己讀數(shù)是否準(zhǔn)確.通過實驗,學(xué)生不僅可以定量探究電容器的電容,還可以培養(yǎng)高中階段非常重要的游標(biāo)卡尺讀數(shù)能力,一舉兩得.

2.3 顯示模塊

傳統(tǒng)實驗現(xiàn)象存在不明顯的因素,且上課測試發(fā)現(xiàn)班級后面的學(xué)生基本看不到現(xiàn)象.為解決這個問題,筆者采用0.56寸數(shù)碼管作為顯示核心,盒子嵌入鋰電池、無線模塊、開關(guān)、充電口和單片機,盒子背面嵌入26mm的磁鐵,便于吸附在黑板上,使班級后面的學(xué)生可以非常直觀地觀測電容、距離和面積的變化,如圖3所示.

2.4 軟件系統(tǒng)

本項目上位機采用C#語言開發(fā).該軟件主要由測量數(shù)據(jù)表、控制區(qū)、圖線顯示區(qū)等組成,如圖4所示.通過這個軟件,教師和學(xué)生可以高效探究電容器各物理量之間的關(guān)系.

圖4 上位機軟件界面

3 探究實驗原理

3.1 探究平行板電容器電容與正對面積的關(guān)系

當(dāng)探究平行板電容器電容與正對面積的關(guān)系時,把A、B鋁極板分別插入AX槽口與BX槽口,保證距離不變,然后緩慢移動滑塊.這樣可以改變正對面積,3D效果如圖5所示,實物圖如圖6所示.學(xué)生可以從顯示模塊中得到電容值以及從自制游標(biāo)卡尺中讀取移動的距離并換算出正對面積.

圖5 3D效果圖

圖6 實物圖

3.2 探究平行板電容器電容與板距離的關(guān)系

當(dāng)探究平行板電容器電容與板距離的關(guān)系時,把A、B鋁極板分別插入AY槽口與BY槽口,保證正對面積不變,然后緩慢移動滑塊.這樣就可以改變兩極板的距離,3D效果如圖7所示,實物圖如圖8所示,學(xué)生可以從顯示面板得到電容值以及從自制游標(biāo)卡尺中讀取移動的距離.

圖7 3D設(shè)計效果圖

圖8 實物圖

4 實驗過程

實驗1:定性探究電容與鋁板間距離、正對面積的關(guān)系.

(1) 實驗步驟如下.

① 組裝好器材,將A、B鋁極板分別插入AY槽口與BY槽口,并將電容傳感器A、B接線端的鱷魚夾分別夾住A、B鋁板,如圖8所示.

② 調(diào)節(jié)滑塊至最左端處,并讓A、B鋁板正面相對.

③ 打開模塊各自電源,待系統(tǒng)啟動成功后,顯示模塊上會自動顯示當(dāng)前電容.

④ 通過用戶按鍵,選擇距離模式,打開上位機,并切換至定性探究電容與距離、正對面積的關(guān)系界面,啟動實時采集按鈕.

⑤ 緩慢移動滑塊至右端,并點擊停止采集按鈕.

⑥ 分析電容與板間距曲線數(shù)據(jù),如圖9所示.

圖9 定性探究電容與距離的關(guān)系

⑦ 將A、B鋁極板分別插入AX槽口與BX槽口,并將電容傳感器的A、B接線端的鱷魚夾分別夾住A、B鋁板,如圖6所示.

⑧ 重復(fù)②-⑤步驟,分析電容與正對面積曲線數(shù)據(jù),如圖10所示.

圖10 定性探究電容與正對面積的關(guān)系

(2) 實驗結(jié)論.

通過實時曲線圖,可以初步得出以下結(jié)論.

① 其他條件一定的情況下,平行板電容器的電容隨著平行板正對面積的減小而減小.

② 其他條件一定的情況下,平行板電容器的電容隨著平行板間距的增加而減小,并且呈非線性關(guān)系.

實驗2:定量探究電容與正對面積S的關(guān)系.

(1) 實驗步驟.

① 組裝好器材,將A、B鋁極板分別插入AX槽口與BX槽口,并將電容傳感器A、B接線端的鱷魚夾分別夾住A、B鋁板.

② 調(diào)節(jié)滑塊至左邊.

③ 讓帶磁性的兩個模塊化的顯示模塊吸附在黑板上,在黑板旁邊寫上電容C和正對面積S,并打開相應(yīng)的電源.

④ 打開測量儀器的電源,并按下面積按鍵,初始化模塊.

⑤ 緩慢把滑塊向右移動并讓學(xué)生讀出游標(biāo)卡尺示數(shù)(系統(tǒng)也會自動測量數(shù)據(jù)),同時記錄當(dāng)前電容量值.

⑥ 緩慢向右移動滑塊,重復(fù)第⑤步驟,至少測量10組實驗數(shù)據(jù).

⑦ 分析數(shù)據(jù),得出結(jié)論.

(2) 實驗數(shù)據(jù)(如表1所示).

表1 定量探究平行板電容器的電容與極板正對面積S的關(guān)系數(shù)據(jù)

(3) 實驗結(jié)論.

經(jīng)描點并擬合最后可以得到的決定系數(shù)(R2=0.9974),說明其他條件不變,平行板電容器的電容與兩極板正對面積存在正比例關(guān)系,即C=k·S,如圖11所示.

圖11 平行板電容器的電容與極板正對面積關(guān)系圖

實驗3:定量探究電容與極板間的距離d的關(guān)系.

(1) 實驗步驟.

① 組裝好器材,將A、B鋁極板分別插入AY槽口、BY槽口并將電容傳感器A、B接線端的鱷魚夾分別夾住A、B鋁板.

② 調(diào)節(jié)滑塊至左邊.

③ 讓帶磁性的兩個模塊化的顯示模塊吸附在黑板上,在黑板旁邊寫上電容C和距離d,并打開相應(yīng)電源.

④ 打開測量儀器的電源,并按下距離按鍵,初始化模塊.

⑤ 緩慢把滑塊向右移動并讓學(xué)生讀出游標(biāo)卡尺示數(shù)(系統(tǒng)也會自動測量數(shù)據(jù)),同時記錄當(dāng)前電容量值并記錄表格.

⑥ 緩慢向右移動滑塊,重復(fù)第⑤步驟,至少測量10組實驗數(shù)據(jù).

⑦ 分析數(shù)據(jù),得出結(jié)論.

(2) 實驗數(shù)據(jù)(如表2所示).

表2 定量探究平行板電容器與極板間距d的關(guān)系的數(shù)據(jù)

(3) 實驗結(jié)論.

經(jīng)描點并擬合最后可以得到?jīng)Q定系數(shù)(R2=0.9964),說明其他條件不變,平行板電容器的電容與板間距成反比,如圖12所示;與板間距的倒數(shù)成正比,如圖13所示,記C=k·1/d.

圖12 電容器電容與極板間距關(guān)系圖

圖13 電容器電容與極間距倒數(shù)關(guān)系圖

實驗4:定性探究電容與電介質(zhì)的關(guān)系.

(1) 實驗步驟.

① 組裝好器材,將A、B鋁極板分別插入AX槽口、BX槽口并將電容傳感器A、B接線端的鱷魚夾分別夾住A、B鋁板.

② 調(diào)節(jié)滑塊至刻度為20mm處,并讓A、B鋁板正面平行相對.

③ 打開模塊相應(yīng)電源,待系統(tǒng)啟動成功后,顯示模塊會自動顯示當(dāng)前電容.

④ 選擇距離模式,打開上位機,并切換至定性探究電容與電介質(zhì)的關(guān)系界面,啟動實時采集按鈕.

⑤ 分別手持同種尺寸的云母片、玻璃片、陶瓷片、石蠟片緩慢插入平行板之間(盡量同一位置),但不接觸平行板,分別記錄插入前和插入后電容量的值.

⑥ 重復(fù)以上步驟,記錄5次實驗數(shù)據(jù).

(2) 實驗數(shù)據(jù)(如表3所示).

表3 定性探究電容與電介質(zhì)體的關(guān)系數(shù)據(jù) 單位:pF

(3) 實驗結(jié)論.

其他條件一定的情況下,可定性得出,放入電介質(zhì)后的電容比空氣介質(zhì)的電容大(如圖14所示).

圖14 定性探究電容與電介質(zhì)材料的關(guān)系

5 實驗注意事項

本實驗與傳統(tǒng)實驗相比,雖已進行大量改進,操作起來簡單方便,但仍需注意以下幾點:(1) 做實驗時,手不能太靠近甚至接觸極板,這樣會引入外圍電容;(2) 探究電容與板間距關(guān)系時,盡量測量一開始距離的電容(小距離電容);(3) 移動極板時盡量緩慢,移完后手盡量遠(yuǎn)離器材.

6 創(chuàng)新點

(1) 該實驗采用型號H9740的光柵傳感器,配合型號180LPI的光柵尺,測量平行板電容器兩極板之間的距離,解決傳統(tǒng)物理實驗沒有測量板間距的缺陷,從而達(dá)到精確測量板間距,便于物理教學(xué)上后續(xù)數(shù)據(jù)處理及公式的得出.

(2) 該實驗將采集數(shù)據(jù)(電容、距離、正對面積)與基于型號5461數(shù)碼管的數(shù)據(jù)顯示(電容、距離、正對面積)的分離式方案,配合模塊底部外殼加裝直徑20 mm的圓形釹吸鐵石作為教具的獨立模塊,實現(xiàn)教學(xué)時能把教具吸附在黑板上,從而直觀高效地呈現(xiàn)實驗現(xiàn)象與結(jié)果.

7 結(jié)束語

經(jīng)大量的學(xué)生實驗和現(xiàn)場實驗課教學(xué),發(fā)現(xiàn)該自制教具能滿足高中物理教師對平行板電容器的實驗教學(xué).通過該實驗,學(xué)生可以熟練應(yīng)用控制變量研究平行板電容器的電容與間距d、面積S以及與電介質(zhì)的關(guān)系.教師可以利用本教具進行定性、定量研究平行板電容器的電容與哪些因素有關(guān),解決傳統(tǒng)實驗存在的問題.該實驗采用模塊化設(shè)計,有助于培養(yǎng)學(xué)生動手能力、科學(xué)思維和探究能力,進而能有效培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度,體現(xiàn)物理課程育人的功能.