“電容器的電容”演示實驗的改進和教學的優化設計

賴 君 張軍朋

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

在“電容器的電容”的教學中，應用靜電場的知識分析電容器充放電過程以及電容器電容概念的建立是教學難點，做好相應的演示實驗，有利于突破教學難點.但目前教學中相關演示實驗的實際效果不盡人意.我們在實踐的基礎上，對其中3個演示實驗及其教學做了改進，以期達到優化演示實驗的設計，增強演示實驗的效果，拓展演示實驗的教學空間的目的.

1 優化電容器充放電實驗的設計

人教版教材所介紹的實驗方案使用靈敏電流計顯示電容器充放電電流的大小和方向，電路圖如圖1所示.但在實踐中發現該實驗的現象不夠直觀和明顯.為了更加直觀地顯示電容器的充放電電流，可用發光二極管代替靈敏電流計來做這個實驗，電路圖如圖2所示.改進后的實驗，現象可視性明顯增強.

圖1 傳統電容器充放電電流演示實驗電路圖

圖2 改進的電容器充放電電流演示實驗電路圖

在教學上，教師往往忽視演示中觀察的指引和思維的引導.為增強演示的教學效果，應該讓學生帶著問題進入實驗，帶著問題觀察實驗，帶著問題思考實驗.

具體的教學過程如下.

問題1:電容器充電過程中，導線上是否有電流？

學生可能想到：電容器兩極板間是絕緣介質，不可能有電荷通過；但是既然電源能夠給電容器充電，必定有電流通過導線.由此產生認知沖突，希望通過實驗解決問題.課件如圖3(a)所示.

圖3 部分課件截圖

問題2：究竟有沒有電流，我們要通過實驗來檢驗.用什么檢驗電流？

學生可能想到電流表、燈泡等等.

問題3:什么既可以顯示是否有電流，又可以直觀地顯示電流的方向？

多數學生能夠想到發光二極管.課件如圖3(b)所示.

問題4: 假設導線上的電流方向與二極管導通方向相反會怎樣？如何解決這個問題？

學生會想到將兩個二極管以相反的導通方向并聯起來接入電路中，課件如圖3(c)、圖3(d)所示.

問題5:要檢驗電容器的充電電流，應該怎樣完善電路.

學生根據提示設計出圖2所示電路圖.

2 優化電容器火花放電實驗的設計

人教版的高中《物理·選修3-1》教師用書介紹了電容器的火花放電實驗，該實驗用于研究電容器的電荷量與電勢差的定性關系.但書中對實驗的操作只做了如下介紹：“分別用8 V和16 V電壓給一個確定的電容器(25 V，4 700 μF)充電，然后再放電”，對器材的選擇、操作的技巧沒有詳細的說明.有教師給出過具體的實驗方案,電路圖如圖4所示[1].這一實驗方案需要用到直流高壓電源，對放電針的材料和形狀有較高要求，實驗裝置制作起來也比較困難.也有教師用細導體連接兩極板放電，操作雖簡單，但火花微弱，現象不明顯.筆者經過多次嘗試，發現只需要對電容器作簡單的改裝，便可以實現震撼的實驗效果.改進方案如下.

圖4 電容器火花放電實驗電路圖

選用耐壓63 V，電容為47 000 μF的大電容，用長螺絲替換電容器兩極的短螺絲,如圖5所示，用學生電源給電容器充電，讓電容器兩極板的電勢差分別為10 V,20 V,30 V，用剪刀連接電容器的兩極放電.具體操作方法是：用剪刀金屬部分的底端接觸其中一極，剪刀金屬部分的另一端逐漸靠近電容器的另外一極，由于螺絲表面和剪刀刀刃都存在鋸齒狀尖端，二者靠近時便會產生劇烈的電火花，電壓越高，放電電火花越劇烈，實驗現象如圖6所示.不同電壓下電火花的強弱程度對比明顯，電火花炫目，有震撼力，向學生展示了物理的自然美.

圖5 電容器改裝示意圖

(a)

(b)

(c)

在該實驗的教學方面，建議將其與定量探究電容器電荷量與電勢差的關系實驗“串聯”，構成從定性到定量的實驗探究過程.一方面,該實驗能夠活躍課堂氛圍、吸引學生的注意力，讓學生更有興趣進行后續的學習；另一方面，它能夠給學生提供對電容器電荷量與電勢差的定量關系進行猜想的依據.從定性到定量進行探究，更加符合學生的認知特點.

具體的教學過程如下.

師：從對電容器充放電過程的分析中，我們發現電容器的電荷量與兩極板間的電勢差總是同步變化的，那么它們之間是不是有一定的關系呢？請同學們先看一個實驗.這里有3個完全相同的電容器，用學生電源充電，讓它們的電壓分別為10 V,20 V和30 V.現在，請一位同學上來用一把剪刀連接兩極板，讓電壓為10 V的電容器放電，大家猜會出現什么現象？

生：驚嘆.(操作的學生被嚇了一跳.)

師：出現了電火花！接著讓我對電壓為20 V和30 V的電容器放電，請同學們注意比較兩次放電電火花的強弱.請同學們總結實驗現象.

生：電壓越高，電火花越劇烈.

師：電火花越劇烈，就說明電容器儲存的電荷量越多.那么實驗現象說明電容器的電荷量與電勢差之間有什么關系？

生：電容器的電荷量與電勢差成正相關.

師：很好.但是物理并不滿足于定性的結論，它們之間有沒有定量的關系呢？請同學們猜想電容器的電荷量與電勢差的定量關系.

3 顯化演示實驗中的科學方法

圖7 電容器的電荷量與電勢差關系的定量實驗裝置

用倍分法探究電容器的電荷量與電勢差的關系，應該重點突出科學方法的應用和遷移.

在教學中如果直接給出實驗裝置向學生解釋原理，學生很難體會實驗中的科學方法，該實驗的教學價值就不能得到充分的體現.要讓學生理解實驗中等量平分的思想和轉換的實驗方法，應該將其顯化，并讓學生應用它來解決實際問題.可以先將“如何測量電荷量”的難題拋給學生；用科學家的故事將科學方法顯化，啟發學生思考；在教師的指引下，學生主動探索解決問題的方法，領悟其中的科學方法和科學思想.具體教學過程如下.

問題6：想要探究電容器的電荷量與電勢差的關系需要測量什么？怎么測？

問題7:電壓表應該選擇指針式電壓表還是數字電壓表？

問題8：沒有直接測量電荷量Q的儀器，怎么辦？

問題9:(啟發學生將電容器與金屬球類比)庫侖找了兩個完全相同的金屬球，而我們研究的對象是電容器，那應該如何做？

問題10:庫侖讓一個小球帶電荷量為Q，我們該怎么做？

問題11:怎樣讓其中一個電容器帶電，另一個不帶電？兩小球相接觸電荷量就平分，那么電容器該怎樣才能平分電荷量？電容器要串聯還是并聯？

問題12:怎樣實現電荷量的再次平分？

4 結束語

綜上所述，演示實驗教學功能的實現離不開符合目的的演示和現象的觀察，更離不開演示過程中教師對觀察的指導和思維的指引，而這一切的教學基礎在于基于實踐的科學有效的實驗設計和教學設計.本文“電容器的電容”演示實驗的改進和教學的優化設計，即為上述演示實驗教學思想的具體體現.

1 傅以東. 電容器電容的實驗教學設計. 教學儀器與實驗，2004，20(3):24

2 李新鄉，張軍朋. 物理教學論. 北京：科學出版社，2005.254～260

3 劉力. 新課程理念下的物理教學論. 北京：科學出版社，2007.120～125

4 李明，柴宏良. 利用倍分法設計和改進電容器實驗. 物理通報，2015(4):67～69

5 肖麗英. 從定性感知走向定量描述 讓思維發展從元認知出發——以“電容器的電容”教學為例. 物理教師，2015，36(4):27～29