《電容器的電容》教學難點的分析與突破

《電容器的電容》一節是《電場》這一章的重點與難點.其難點來自兩個方面:一是知識點(電容概念難理解);二是實驗(沒有現成的教學儀器，并且靜電實驗難確保成功).完成教學任務，必須突破以下幾個難點:

1 創建演示實驗，幫助理解概念

教材上由“實驗表明:電容器所帶的電量Q與其兩端的電勢差U成正比，比值Q/U是個常數。它表征了電容器容納電荷的本領，故定義C=Q/U，”沒有安排實驗，何以表明?學生懷凝其真實性，沒有說服力。

我用圖1所示的高阻放電法，得出了“同一個電容器所帶的電量與其兩端的電勢差成正比，比值Q/U是個常數;不同電容器Q/U這個常數不同”的結論，而且還測出了電容器的電容量!

圖1中C為電解電容(16V，470uF)，R為電阻箱(0～99.999KΩ)，uA為數字電流表，○V為數字電壓表，E為學生電源直流電壓檔。

（1）E調至12V，閉合電鍵S，調節電阻箱R，使uA讀數為200uA，并由○V讀出C的充電電壓(實測為12.4V)，填入表2中。斷開S，調節R，同時開始計時，每隔5s鐘讀一次放電電流I1，共讀出約13組數據，填入表1對應欄中。

表1：放電電流記錄表

(2)由表1中I1的數據在圖2中描點作圖。

（3）由I=Q/t得Q=It，即I-t圖中曲線下面的“面積”'代表了電量Q，而“面積”可以用曲線下面的格子數目來表示(不足半格的舍去，超過半格的計一格)，每一小格代表達式1s×10uA的電量，填入表2中。

（4）E調至6V(實測為6.2V)，重復1、2、3步，放電電流填入表1的I₂欄中，在圖2中作出圖線，結果填入表2中。

（5）E調至4V(實測為4.1V)，重復1、2、3步，放電電流填入表1的I₃欄中，在圖2中作出圖線，結果填入表2中。

可見， 不同一電容器Q/U比值相同。

至此，用C=Q/U定義電容器的電容，學生已深信不疑了!

2 確保平行板電容器演示實驗成功(效果明顯)

圖3示演示實驗(即課本上圖13-41)，實質上是一個靜電實驗。靜電實驗的成功與否，起決于起電與絕緣。在南方地區，11月份有霧的天氣，起電困難而且起得的電荷很快就“消失”了。

據我查得資料，做靜電實驗最好的絕緣材料是石臘和泡沫塑料(新購家用電器時的包裝泡沫塑料)，墊在講臺上做實驗，保證了絕緣性能.在有霧的天氣，把儀器擦干凈并進行局部加熱，效果不錯.具體做法是:利用家用紅外線取暖器作實驗臺，整個實驗在取暖器上進行，并將取暖器置于泡沫塑料上(如圖4示).效果很好，同行不防一試。

3 來自學生的幾個凝點

3.1 靜電計為什么可以測電勢差?與電壓表有何不同?

靜電計是在驗電器的基礎上改裝而成的，全屬球(包括桿)與外殼是絕緣的。而任何兩個相互絕緣又靠近的導體都構成一個電容器。靜電計實質上是一個定值電容，因其正對面積小，故其容量很小。由Q=C*U，即Q正比于U。而Q與指針的張角有關(Q多時，因同種電荷相斥，使張角增大)。故張角大小反映了電勢差的大小，即可測電勢差U。

用靜電計測電容器兩端的電壓，實質上是一個極小的電容器C與待測電容器C′并聯，如圖5示。只是C＜＜C′，故Q＜＜Q′，即Q′可以看成不變。

電壓表是由電流計串聯一個分壓電阻改裝而成，用電壓表測電容器兩端電壓時，電壓表與電容器勾成通路而放電，不能測準電容器兩端的電壓。

3.2 圖3示的演示實驗中，為什么電容器與靜電計的兩根導線放在地上而不直接連接起來?

為了使實驗現象明顯，靜電計有較大的偏轉，必須讓電容器帶上足夠多的電荷，因此電容器兩板間電壓很高，有千余伏的電壓。做實驗時人用手接觸，很不安全。接地后，站在地上的人與電容器的一板等電勢，用手操作這一板就安全了。如圖6示。

3.3 電容器兩個極板上帶有電荷，如何用簡便方法判斷其電性？

用試電筆靠近金屬板，由于靜電的電勢(位)很高，故只要試電筆靠近金屬板就會使電筆的氖管發光。若氖管發光的部位是靠近手的一端(手握電筆的一端)，則金屬板帶正電;若是遠離手的一端發光，則金屬板帶負電。

4 巧設實驗，增強演示效果

（1）用中學實驗室J1205型直流高壓電源250V檔，通過一個25w/220V的白熾燈泡，給一個330μF/300V的電解電容器(21吋彩色電視電源用)充電。注意一定要使直流高壓的正極通過電燈接電解電容器正極、直流高壓的負極接電容器負極(如圖7示)。可以看到燈泡逐漸地亮起來!電容器充好電后，把電容器兩端與220V、25W的燈泡兩端相連接放電。會看到這個燈泡由亮逐漸變暗直至熄滅。

也可用閃光燈來做這個實驗。找一個閃光燈管(如上海照相器材廠生產的海鷗牌SZ-32系列電子閃光燈的燈管)，一個250V、300μF的電解電容器，如圖8示連在250V的直流高壓電源上。電容充足電后接上閃光燈時，發出強烈耀眼的閃光!學生驚嘆不止。

如果能找到2200uF/3V的電解電容(市面上比較難找)，充電后裝入教室內的石英鐘內(取出電池)，可供石英鐘用2-3天，給學生留下長久的印象!