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摘 要:现行的人教版高中《物理·选修3-1》对电容作了如下定义:电容器所带的电荷量Q与电容器两极板间的电势差U的比值,叫做电容器的电容.本文设计了一种恒流电源为电容器充电,在充电过程中监控电流大小以计算电容器充电量,利用电压表测量电容器两端电压,最后分析充电量和电压数据,从而得到电容的定义.
关键词:恒流电源;电容定义;定量分析
电容器是社会生活中极为常见的电子元件,尽管它的种类和形式繁多,但各种电容器的工作原理都是相同的.现行的人教版高中《物理·选修3-1》第一章《静电场》对电容作了如下定义:电容器所带的电荷量Q与电容器两极板间的电势差U的比值,叫做电容器的电容.传统的课堂教学,教师大多把电容器能够容纳电荷的多少,形象地类比容器装水,以此分析电容器的充电、放电与容器的储水放水的联系,但是学生依旧对电容器的物理模型与工作机制认识模糊.
为使学生能够深刻地理解电容的概念,本文介绍了一种可以进行定量分析的演示教具,学生可以从逻辑上更好地接受电容定义的描述.
一、仪器电路图
实验装置如图1示,虚线框内是由9V方电池、电位器R1、三极管、发光二极管、定值电阻R2构成的恒流电源电路,电容器是待测的,微电流传感器用于监测充电电流,电压传感器用于测量电容器的电压,开关用于控制电容器充电.调节R1可得到不同的恒定电流,R2起限流作用,防止发光二极管烧毁.
二、实验原理
实验原理是根据Q等于It,只要测出充电电流的大小和充电的时间,即可得出电容器所带的电量Q,再通过电压表测量电容器充电后的电压U,通过观察Q与U的比值说明电容器所带电量与电容器两极间的电势差成正比.本教具可以演示的实验内容包括电容器所带的电荷量与电容器两极间的电势差成正比,其比值是一个常量.
三、教具制作方法
材料准备:木板一块,微电流传感器,电压传感器,9V电池一个,100kΩ电位器一个,220Ω电阻一个,绿光LED一只,三极管一只(s9012),电容器两只,船形开关一只,香蕉插头两对,木盒一个.用软件在电脑上画好电路图,然后用激光雕刻机将电路图刻到木板上,做成教具的面板.
将元件安装到面板上的相应位置,注意发光二极管的正负.用导线将各元件按照电路图的连接关系连接起来,各个连接點也用用热熔胶固定,以防松脱.装上电池,接入待测电容器,测试充电电流是否可以调节,电容器电压是否可以测量.测量完成后,将面板放入木盒中,完成安装.
四、使用方法
1.调节充电电流:将待测电容器接入电路板,闭合开关,调节电位器R1,使充电电流达到100μA.
2.电容器放电:开关保持断开状态,将待测电容器两极短路使其充分放电,然后再接入电路中.
3.测量数据:接入电压传感器,设置电压传感器采样时间为10秒,即闭合开关后每10秒钟记录一次电压值.
4.将测量的数据记录到表格中.
更换另一个电容器重复上述步骤,分析数据,总结结论.
五、实验结论
通过上述操作,我们可以总结以下结论:
在误差允许的范围内,电容器所带的电荷量与电容器两极间的电势差成正比,其比值是一个常量.
对于不同的电容器,这个比值不同.
六、总结
诸多电容器的演示实验中仅对电容器做了定性分析,本实验可以引导学生对电容器进行定量分析,通过实验直接得出电容器的电容量,让学生体验科学探究的过程.本教具结构简单、取材容易,操作方便,采用电流和电压传感器,采集数据方便准确,能让学生从实验的方法学习电容的概念,有利于培养学生的实验操作技能和科学精神.
参考文献
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[3]王旭.电容定义式的探究性教学设计及实录.实验教学与仪器[J]:2016(5).
作者简介:姓名:杨杰(1984-),性别:男,民族:汉族,籍贯:广西桂平,学历:本科,学士学位,职称:实验师,主要研究方向:物理学
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电源引用文献:
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