以實驗為基礎 提高課堂教學的有效性

李紅偉 劉明忠

物理學是一門以實驗為基礎的自然學科，所有物理概念、規律的發現和確立，都是在實驗的基礎上建立起來的，物理實驗對物理學的發展和物理教學都起到極其重要的作用.在物理課堂教學設計中，如果能夠巧妙地創設系列物理課堂實驗，不但能幫助學生深刻理解物理規律的本質，激發學生學習的興趣，而且能轉變以往被動的知識灌輸模式，讓學生走向積極的、主動的自主性學習，實現課堂教學的有效性.下面以高中人教版選修3-1第一章第8節《電容器的電容》為例，說明如何以實驗為基礎，實現提高課堂教學有效性的教學設計.

電容器是一種重要的電學元件，在實際生活中有著廣泛的應用；學習電容器內容之前學生已經學習了電荷量、電場強度、電勢差等物理量，這節的內容既是對以上知識的綜合應用，也是物理在實際生活中的體現，同時也為后面學習帶電粒子在勻強電場的運動、電磁振蕩等內容打下基礎，因此起到承上啟下的作用.電容概念的建立、決定平行板電容器電容大小的因素是本節的教學重點，電容概念的理解及電容器的充放電過程是本節的教學難點.

課堂教學設計流程：引入課題，探究電容器儲存電荷的特性→探究電容器的充放電過程→通過實驗探究得出電容定義式→探究決定平行板電容器電容大小的因素→常見電容器、結束新課

【教學片段一】 引入課題，探究電容器儲存電荷的特性

實驗設計1：探究電容器儲存電荷的特性

實驗儀器：起電機（圖1）、金屬圓盤（2個）、節能燈、輕小物體、細繩、導線若干.

實驗原理：兩個相距1-2cm的金屬圓盤為兩個極板，空氣作為電介質，則組成了最簡單的電容器（圖2）.利用起電機使極板帶電，兩極板中間懸掛的輕小物體被吸引偏轉，說明金屬圓盤極板帶電；把兩圓盤與節能燈連接，節能燈閃亮一下，同樣說明電容器具有儲存電荷的特性.

評析 用簡單的兩個金屬圓盤做成電容器，讓學生認識到電容器的結構是如此簡單，電容器的制作原來如此容易.用輕小物體來檢測電容器是否帶電（帶電體能吸引輕小物體），是實驗的一個亮點；為了進一步證實電容器已儲存電荷，通過節能燈使燈閃亮了一下，更吸引了學生注意力，激發了學生的求知欲.這個實驗設計充分考慮到了學生認識發展水平，體現了創新意識及創新思維，彰顯了“從生活走向科學，從科學走向生活”的現代教育思想.

【教學片段二】 探究電容器的充放電過程

實驗設計2：探究電容器充放電電流方向及大小變化情況

實驗儀器：發光二極管（2個）、電源、電容器、單刀雙擲開關、導線若干.

實驗原理：如圖3，把單刀雙擲開關撥開向1，發光二極管a變亮然后逐漸變暗，反映電容器充電電流方向及充電電流大小逐漸減小；把單刀雙擲開關撥向2，發光二極管b變亮然后逐漸變暗，反映電容器放電電流方向及放電電流大小逐漸減小.

評析 電容器的充放電過程是電容器工作的主要形式，也是學生了解電容器的一個載體.教材對電容器的充放電過程敘述比較簡單，加上內容抽象，電荷的微觀運動無法演示，學生接受起來顯得非常困難，而這部分內容又是后面學習電磁振蕩的基礎.為解決這個問題，實驗設計通過兩個發光二極管，讓學生直觀地感受到電容器充放電電流的方向及電流大小變化情況，使學生對電容器的認識更加具體，更加豐富，也為后面的教學鋪平了道路.

【教學片段三】 通過實驗探究得出電容定義式

實驗設計3：探究電容器儲存電荷量與電勢差關系

實驗儀器：數字萬用表、電源、完全相同的電容器5個、單刀雙擲開關（3個）、單刀單擲開關、導線若干.

實驗原理：如圖4，開始所有開關處于斷開狀態.①先閉合S，電源對C1充電；②斷開S，單刀雙擲開關S1接1，類比庫侖扭稱實驗的電量二分法，兩個完全相同的電容器直接接觸，電量也將平分，由此C1、C2所帶電量應該均為Q/2；③S1接2，S2接3，C2、C3所帶電量應該均為Q/4；④S2接4，S3接5，C3、C4所帶電量應該均為Q/8；⑤S3接6，C4、C5所帶電量應該均為Q/16；⑥用數字萬用表直接電測出容器C1、C2、C3、C4兩極電壓，分析得出Q與U的比值為一個常數.

C1C2C3C4

電量Q/2Q/4Q/8Q/16

電容U/2U/4U/8U/16

評析 得出電容定義式的是本節的重點，也是難點.以往教學設計大多是類比柱形水容器的方法告訴學生電容器所帶電量Q與電壓U成正比；或者通過放電產生火花強弱，小燈泡的亮度情況等來定性說明電容器儲存電荷量的多少，不足以說明電量Q與電壓U成正比.本實驗設計巧妙地利用電量二分法使電容器電量這個很難測量的物理量問題得到解決，實驗操作簡單易行，科學嚴謹，效果明顯，學生容易理解，充分達到了突破教學重點、難點的作用.

實驗設計4：探究不同電容器的電容大小

實驗儀器：干電池、不同型號電解電容器3個、石英鐘、單刀雙擲開關、單刀單擲開關3個、導線若干.

實驗原理：如圖5，用兩節干電池同時對3個不同型號的電解電容器充電后，然后分別通過石英鐘放電，石英鐘指針轉動的格數半定量地反映了電容器儲存電荷量的多少.分析實驗結果得出，不同電容器，電壓相同，指針轉動的格數一般不同，儲存電荷的本領一般不同.

電容器（uF）1000500250

指針轉動的格數421

評析 實驗設計運用控制變量法，對不同電容器在相同電壓，儲存電荷量的多少進行半定量探究，得出不同電容器電容一般不同的結論，使電容這一抽象概念變得直觀、具體，學生易于理解和接受，學生的抽象思維能力和創新能力也得到了培養和提高.

【教學片段四】 探究決定平行板電容器電容大小的因素

實驗設計5：探究平行板電容器的電容大小決定因素.

實驗儀器：平行板電容器（圖7）、數字電容表（圖6）、陶瓷片、玻璃板.

實驗原理：直接用數字電容表測量平行板金屬板組成的電容器電容.當兩板距離減小，電容表測出電容器的電容變大；當兩板正對面積減小，電容表測出電容器的電容變小；在兩之間插入介質，電容表測出電容器的電容變大.

S不變d變化d不變S變化插入電介質

dd/2d/4SS/2S/4陶瓷片玻璃板

C2C4CCC/2C/4C變大C變大

結論：C與d成反比結論：C與S成正比結論：C與介質有關

評析 影響平行板電容器電容大小的因素是本節教學內容的又一重點.課本給出的演示實驗是間接推導電容與各種因素的關系，這個實驗不直觀，推導能力要求較強，難于讓學生形成深刻的印象，不符合高中學生的認識水平與邏輯發展水平；同時這個演示實驗所花時間較長，容易受天氣等因素影響導致實驗不成功；且只能定性得出結論.而本實驗設計應用新儀器數字電容表直接測量行板電容器電容，對電容大小決定因素進行定量研究，不受天氣影響，操作簡單，現象明顯，學生容易接受理解.

【教學片段五】 常見電容器，結束新課

實驗設計6：測量人體電容器電容大小

實驗儀器：數字電容表、導線若干.

實驗原理：如圖8，20位同學手拉手分成兩排組成一個人體電容器，用數字電容表可直接測量出人體電容器的電容大小.增大兩排學生間的距離，數字電容表測量出的電容變小；減小兩排學生間的距離，數字電容表測量出的電容變大.減少兩排學生人數，測得的電容變小.

評析 本實驗設計通過兩排學生間距的變化，人數的變化，加深了對平行板電容器的電容大小決定因素的理解；通過測量人體電容器電容，讓學生感受電容器電容存在的普遍性，激發了學生學習興趣，課堂教學在結束時達到高潮，學生課后回味無窮.關注生活，從生活中挖掘物理教學素材，并以實驗的形式呈現給學生，讓學生感受到物理是有用的，學習物理是有現實意義的.

諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中對實驗的重要性有過精辟的描述：“所有的自然科學都是實驗科學.再好的理論如果與實驗不相符，那么理論就不存在.實驗可以推翻理論，而理論永遠無法推翻實驗.因此實驗對于自然科學來講非常重要.”在物理教學中，教師都要明白這個道理：物理實驗是物理學的基礎，要上好物理課，就要設計好課堂實驗，針對學生的疑難、困惑，想方設法構思實驗展示的方式，還物理學科的本來面目，從而達到提高課堂教學有效性的目的.