電容器的充放電*

錢選體

(南通市啟秀中學(xué) 江蘇 南通 226001)

電容器是一種重要的電學(xué)元件，是一個儲存電荷的儲能元件，它不是一個耗能元件，可以說沒有電容器就沒有現(xiàn)在的信息社會和現(xiàn)代化的生活.要掌握電容器的特性,筆者認(rèn)為做好電容器的充放電實(shí)驗(yàn)尤其重要，這個實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生理解掌握電容器特性在電路中的作用.

人教版《物理·選修3-1》給出的電容器的充放電示意圖如圖1，開關(guān)S擲至1為充電，擲至2為放電，表面上是可以進(jìn)行充放電的實(shí)驗(yàn)了，但實(shí)際上是看不到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的，由于電路中無電阻R，充放電時間很短很短，根本看不到充放電的過程，幾乎看不到電流表的變化過程.

圖1

圖2

若用圖2進(jìn)行演示，C=470 μF，R=10 kΩ,A○表用100 μA或500 μA的示教萬用表G，V○用2.5 V的示教萬用表，時間常數(shù)RC=5 s，整個充放電時間為15～25 s，便于觀察和講解，A○的指針放在正中，可以左右偏，E用一節(jié)干電池，可以很好地演示充放電實(shí)驗(yàn)，S擲至1為充電過程，同時可以看到A○表讀數(shù)由最大逐漸減小，V○表讀數(shù)由小逐漸增大，可知充電的電流方向及電容器上、下極板所帶的電荷量；S擲至2時為放電過程，此時可以看到A○表和V○表的讀數(shù)同時減小直至為零，同時可以看到放電電流方向與充電電流方向相反，有足夠的時間進(jìn)行講解說明，可以說明充好電的電容器儲存能量即電場能.

圖2存在兩個缺點(diǎn)，充電結(jié)束時A○始終不為零，因?yàn)閂○不是理想表，不能很好說明充電結(jié)束時電路中電流為零，一種方法是將V○表斷開再做充電實(shí)驗(yàn)，此時充電結(jié)束時A○表讀數(shù)為零；還有一種方法是改變A○的接線位置，由外接改為內(nèi)接，還有一個缺點(diǎn)為S斷開1又沒有與2連接時，理論上C兩端的電壓應(yīng)不變，即充好電的電容器的電荷量不變，由于V○表不是理想表，它要放電，所以在V○表支路上接一個開關(guān)，斷開1時及時斷開V○支路中的開關(guān).

用圖3進(jìn)行演示，E,R,C,A○,V○的值及選擇與圖2相同，S1為單刀雙擲開關(guān)，S2為單刀單擲開關(guān)，觀察效果很好，有足夠的時間進(jìn)行充分的講解；當(dāng)S1擲至1，S2接通為充電，可以同時看到A○和V○的讀數(shù)變化過程，終態(tài)時A ○為零而V○約為E，據(jù)A○表的指針偏轉(zhuǎn)方向可知充電的方向；當(dāng)S1斷開前先斷開S2，可以提出問題說明充好電的電容器存在什么呢？然后先接S2再快速使S1擲至2，觀察此時V○的最大值幾乎不變，然后A○和V○表同時減小直至為零；說明充好電的電容器兩端電壓U不變，即電荷量Q不變，充好電的電容器儲有能量即電場能，通過A○表的指針偏轉(zhuǎn)方向可知放電的電流方向與充電的電流方向相反.

圖3

通過圖3進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)后可以說明下面幾個問題:

第一,根據(jù)充電時A○的讀數(shù)由最大減至零，說明電容器C在直流電路中接通的瞬時相當(dāng)于短路，正常工作時相當(dāng)于斷路；

第二,可以通過改變R和C的值，可以觀察到充放電時間的長短，說明R與C的乘積是時間，RC電路有延時效應(yīng)，從而可以使電路延時接通或延時斷開達(dá)到需要的自動控制；

第三,可以通過充放電知道電容器的串、并聯(lián)的特點(diǎn)，若并聯(lián)電容器后，充放電時間增大，RC乘積增大，說明并聯(lián)后電容器的電容量增大，若串聯(lián)電容器后，充放電時間減小，RC乘積減小，說明串聯(lián)后的電容器的電容量減少，從而使學(xué)生很容易接受電容器的串并聯(lián)的電容量的變化；

第四,很容易解決圖4(a)的問題，可以先按圖4(b)進(jìn)行一個演示實(shí)驗(yàn)，電阻箱R1,R2,R3都調(diào)為5 000 Ω，A1○,A2○,A3○為示教萬用表的G表，當(dāng)S閉合可以看到3個A○表的讀數(shù)變化與圖4(a)中的A,B,C燈的亮度變化是一樣的，利用燈C接通時短路，正常時斷路，燈A先亮后漸暗與燈B同樣亮，燈B和燈C先同樣亮后燈C漸暗且不亮，燈B漸亮，還可以很容易回答圖4(c)中S接通時A，B燈誰先亮，亮度變化情況如何，據(jù)接通時瞬間燈C短路，則燈A先亮，據(jù)燈C正常工作時斷路及充電需要時間，所以燈B后亮，燈A由亮變暗，燈B由暗變亮.

圖4

圖5

圖6

則

即

電容器充放電過程測電容器的電容量C，可以演示一個學(xué)生實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生通過身邊的簡單儀器也可以測到C值，不一定要用傳感器，可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，而且這個實(shí)驗(yàn)使用的儀器，如電阻箱、干電池、電容器、秒表或手表、G表各校都有.實(shí)驗(yàn)時可以采用圖3中的數(shù)據(jù)每5 s讀一個I值，作出I-t圖即可.

總之，在目前大力提倡高效課堂，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力的前提下，我們的物理課堂應(yīng)該走在前面，能做好的演示實(shí)驗(yàn)要創(chuàng)造條件做好，能讓學(xué)生動手的學(xué)生實(shí)驗(yàn)盡量安排給他們做，從而達(dá)到培養(yǎng)人才的預(yù)期效果.