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        “觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實驗的改進與拓展

        2024-11-17 00:00:00魯斌
        物理之友 2024年7期
        關鍵詞:時間常數(shù)示波器充放電

        摘"要:“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”是2019年人教版高中物理教材新增的學生分組實驗。本文從電容的選擇、電阻的選擇、電壓表的選擇和電流表的選擇等方面,改進實驗設計方案,以期提升學生的思維品質(zhì)和科學素養(yǎng)。

        關鍵詞:電容器;充放電;時間常數(shù);示波器

        1"引言

        “學生分組實驗”課的最大優(yōu)勢在于以下三點:①相對于普通課堂,學生能保持良好的學習熱情和活躍的思維狀態(tài);②每兩位學生有一套實驗儀器,可以近距離地進行觀察和研究;③輕松的課堂氛圍,有利于組內(nèi)與組間學生的交流與合作。

        2019年人教版高中物理必修第三冊中新增了學生分組實驗“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”。[1]實驗的操作難度和獲取數(shù)據(jù)的難度都較大。在教材方案的基礎上,筆者對實驗進行了合理地改進。改進方案不僅能夠獲得明顯的實驗現(xiàn)象,還能實現(xiàn)定量測量,從而幫助學生更好地理解實驗蘊含的物理規(guī)律。

        2"實驗原理

        “觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”的實驗電路圖如圖1所示。電流表和電壓表能夠測量充電和放電時的電流和電壓變化。

        2.1"電容器充電

        由圖1可知,將S撥向1,電容器進行充電。設某時刻回路中的電流為i,電容器所帶電荷量為q,根據(jù)閉合電路歐姆定律

        E-qC=i(r+R+RA)=iR1,

        其中r為電源內(nèi)阻。又i=dqdt,得到充電電流和電容器兩端電壓隨時間變化的方程為

        i=ER1e-tCR1;

        UC=qC=E1-e-tCR1。

        2.2"電容器放電

        待充電結(jié)束后,此時UC=E,將S撥向2,設某時刻回路中的電流為i,電容器所帶電荷量為q,根據(jù)閉合電路歐姆定律qC=i(R+RA)·RV

        (R+RA)+RV=iR2,

        又i=-dqdt(dq<0),得到放電電流和電容器兩端電壓隨時間變化的方程為

        i=ER2e-tCR2;

        UC=qC=Ee-tCR2。

        CR的乘積為時間常數(shù)τ,表示放電過程中UC由E衰減到Ee-1(0.368E)所需的時間。τ越大,UC變化越慢,即電容器充、放電進行得越慢。

        3"實驗器材的選擇

        3.1"電容器的選擇

        若需測量電容器充電過程中電流變化和電壓變化情況,為了便于觀察記錄,應選用容值適當大一些的電容器,其容值一般在幾千微法以上。選擇容值較大的電容器主要有兩個作用:①增大儲存電荷量,減小漏電帶來的影響;②保證較大的時間常數(shù),方便測量。

        3.2"電阻的選擇

        選擇實驗室常用的電容器進行實驗,電容為4700μF,額定電壓為25V。接入量程為0~300μA的微安表(G表),其內(nèi)阻為2.4kΩ,若選擇2kΩ的定值電阻計算得到電路的時間常數(shù)τ=CR=20.68s。即在20.68s內(nèi),充電電流降為最大電流的36.8%,電壓升高到最大電壓的63.2%。若無其他電阻接入,在20.68s內(nèi)記錄至少10組電壓值和電流值是非常倉促的。故建議使用大電阻來保證較合理的時間常數(shù)。

        3.3"電壓表的選擇

        在放電實驗時,電壓表也會參與放電,電流表的示數(shù)只反映了流過電阻R的電流,并非真正的放電電流。若要降低電壓表放電的影響,應增大電壓表內(nèi)阻,即增大電壓表放電回路的時間常數(shù)。因此實驗應選擇內(nèi)阻盡可能大的電壓表進行測量。

        3.4"電流表的選擇

        電容器充、放電電流圖像如圖2所示。由于充電與放電過程共用一個電流表,且充電與放電電流方向相反,因此,應選擇指針初始時指在中間位置的電流表(或靈敏電流計)。為了充分利用測量范圍,應使充電最大電流i1=E/R1與放電最大電流i2=E/R2盡量一致,故充電回路與放電回路的電阻應相差不大。同時應使最大電流接近電流表(或靈敏電流計)的最大測量值。

        4"本實驗的改進方案

        為了便于學生實驗與測量,我們需要對電路進行改進,也可以考慮引入新的測量方法。

        4.1"對電路的改進

        4.1.1"改進電阻的選取

        若每隔4秒記錄一組電壓、電流的數(shù)據(jù),將40秒設定為時間常數(shù),采用4700μF的電容,則對應的電阻應為8.5kΩ。建議利用電阻箱替代定值電阻進行。一般實驗室常規(guī)電阻箱的阻值范圍在0~9999.9Ω之間,滿足實驗要求。改進后電路圖如圖3所示。此方案有兩個益處:①利用電阻箱,能夠較大范圍調(diào)整所需的時間常數(shù);②利用靈敏電流計,可方便測量方向不同的充電和放電電流。

        4.1.2"電壓表的選擇

        一般電壓表0~15V擋的電阻為20kΩ,若電容為4700μF,電壓表與電容器構成回路的時間常數(shù)為94s,與主放電回路理想時間常數(shù)40s較為接近,因此需要考慮電壓表在放電過程中產(chǎn)生的影響。學生實驗時,還可選用演示電壓表(例如J0401演示電表),其內(nèi)阻可以達到50kΩ,對主放電回路影響較小。

        4.1.3"數(shù)字萬用表的使用

        利用數(shù)字萬用表的電流擋和電壓擋替代電流表和電壓表,效果非常好。電容器充滿電后,將單刀雙擲開關空置,此時電容器僅與數(shù)字萬用表電壓擋連通。觀察電容器放電,電壓表示數(shù)從最大值4.070V減小至4.050V的時間為60s,計算可得其時間常數(shù)為12180s,在實驗測量時間內(nèi),可以完全忽略電壓表放電的影響。

        4.2"利用示波器觀察電容的充、放電現(xiàn)象

        實驗電路如圖4所示,由信號源輸出周期性方波信號??蓪⒎讲ㄐ盘柨闯梢粋€電子開關[2],其作用相當于圖3電路中的開關S,它能夠自動且連續(xù)地在“1”和“2”之間切換,使得電容器持續(xù)進行充、放電。調(diào)節(jié)示波器即可得到穩(wěn)定的UC隨時間變化的波形圖。

        4.2.1"信號源內(nèi)阻的測量

        將實物圖按如圖5所示的電路圖連接。將電阻箱逐漸調(diào)節(jié)至零,用示波器測量產(chǎn)生的方波波形,記錄幅值。

        轉(zhuǎn)動電阻箱旋鈕,可以觀察到方波幅值減小。待幅值減小至原來的一半時,記錄電阻箱示數(shù)R0,此時R0即為信號源產(chǎn)生方波時示波器的內(nèi)阻,由實驗可得R0=10kΩ。

        4.2.2"波形調(diào)節(jié)

        將信號發(fā)生器的周期調(diào)節(jié)為0.02s。本實驗中需要使方波的半周期遠大于RC電路的時間常數(shù)τ,使電容器充、放電過程在方波的半周期內(nèi)完成,故電容器的電容應盡量小。實驗室能提供的電容器最小電容為1μF,與信號源內(nèi)阻配合后,理論上的時間常數(shù)為0.01s,與方波周期太接近,無法很好地完成實驗。實驗時,將4個1μF的電容器串聯(lián),等效電容為0.25μF,降低了時間常數(shù),可較好地完成測量。調(diào)整橫坐標時間標度每大格為10ms、5ms、2ms,輸入的方波波形如圖6中a、b、c所示,對應的充、放電圖像如圖6中e、f、g所示。

        4.2.3"時間常數(shù)的測量

        將圖6中g圖像進行放大并測量,如圖7所示。理論上的時間常數(shù)為

        τ=CR0=0.25×10-6μF×104Ω=2.5×10-3s。

        充電時間常數(shù)的測量:電容器從O點對應時間開始充電,充到電壓為最大電壓的63.2%時,對應的時間即為時間常數(shù)。此時對應點K與O點間隔為1.2格,每格代表2ms,則充電時間常數(shù)τ1=2.4×10-3s。

        放電時間常數(shù)的測量:電容器從Q點開始放電,放電至電壓為最大電壓的36.8%時,對應的時間即為時間常數(shù)。此時對應點為P,Q點橫坐標與P點橫坐標相差1.1格,則放電時間常數(shù)τ2=2.2×10-3s。充、放電的時間常數(shù)實驗值與理論值都很接近。

        5"結(jié)語

        “觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”作為新增的學生分組實驗,體現(xiàn)了2019年人教版教材對于電學量的測量和電容參與下的能量轉(zhuǎn)化過程的高度重視。但限于實驗儀器的精度,在進行學生分組實驗時,教師需要充分考慮各個環(huán)節(jié)電學量的聯(lián)系。例如,選用電容在幾千微法以上的電容器;將電流表改為G表;調(diào)整充、放電的時間常數(shù),以便于測量;提高電壓表的電阻,降低電壓表放電的影響等。當然也可利用方波進行自動“開關”,通過充、放電波形粗略測量電容大小。

        充分利用學生分組實驗的設計方案,通過設計、質(zhì)疑、引導、討論、改進等實驗環(huán)節(jié),培養(yǎng)學生的動手能力、思辨能力和創(chuàng)造能力。充分挖掘教材中的素材資源,創(chuàng)造性地利用教材,有利于提升學生的思維品質(zhì)和科學素養(yǎng)。

        參考文獻

        [1]人民教育出版社"課程教材研究所"物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書"物理"必修"第三冊[M].北京:人民教育出版社,2019:38"-39.

        [2]全國中學生物理競賽常委會.全國中學生物理競賽實驗指導書[M].北京:北京大學出版社,2006:87.

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