電容器充放電實驗的改進

摘 要：本文分析了廣東教育出版社物理選修3-1中電容器充放電演示實驗設計方案的原理和一些不足，對原方案進行了改進，并針對改進后的實驗方案進行分析、實踐，把改進后實驗方案和原方案進行對比，闡明方案的改進對于教學可以產生的促進作用。

關鍵詞：電容器充放電；改進；課堂需求

物理作為一門自然科學，人類總是通過實驗來探討或驗證相關的自然規律，如物質的組成、物體之間的相互作用等。理論源于實踐，因此，物理規律的學習和探討離不開親身的實驗。在中學階段的物理教學中，實驗內容的教學和探究尤其重要。首先，物理實驗對物理理論教學起輔助的作用。心理學中提出，感覺記憶可以形成生動的短時記憶，增加趣味性。實驗過程相當于感覺記憶的產生過程，學生通過觀察演示實驗，動手做分組實驗等方式，加深對課堂理論知識的理解，加強了對實驗內容的記憶。其次，物理實驗是實踐的過程，培養學生的動手能力和創新精神。短時記憶在不斷地重復當中，可轉化為長久記憶。學生在動手設計或操作實驗的過程中，可以把課本所學運用到實踐當中，這是一個不斷思考和重復的過程，既是對所學知識的檢驗，加深理論印象，又能夠培養學生的動手能力和創新精神，符合二十一世紀學生核心素養的要求。

作為物理實驗員，在平時除了實驗室管理和實驗準備以外，也要熟悉物理教科書中的理論知識以及了解理論教學對實驗的需求。課本中的實驗設計，在理論上是行得通的。但在實際的教學當中，會由于器材的短缺、實驗課堂的控制等原因，可能會以失敗告終。因此，物理實驗不應完全照搬教科書的設計，而是依據學校實際的實驗資金、器材、教學內容和學生的實際情況來提出符合實際教學要求的合理改進及創新實驗方案。

一、 電容充放電演示實驗原設計及缺點

在廣東教育出版社出版的普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-1中，第一章第七節了解電容器中，給出了一個電容器充放電的演示實驗方案，原理圖如圖a。

該實驗為演示實驗，所需器材為電源、單刀雙擲開關、小燈泡、導線、470μF電容。學生的學習目標為觀察并能理解電容的充放電過程。

我們要求學生帶著以下問題觀察實驗：

1. 當單刀雙擲開關接到左端，電路中有電流嗎？電流通過的時間多長？此過程中，電容帶哪種電荷？

2. 當單刀雙擲開關接到右端，電路中有電流嗎？電流通過的時間多長？此過程結束后，電容的極板還有電荷嗎？

這個實驗的原理和操作都十分簡單，可以說明電容在充放電的過程中電路有電流流過。但是，根據實際情況進行反思，發現這個實驗設計存在以下問題：

1. 實驗的首要目的是讓學生能觀察到電容充放電過程中是否有電流流過電路，電流通過時間的長短。該實驗設計中，在電容充放電時燈L1亮，說明有電流流過電路，但L1亮的時間非常短，導致難以觀察電流通過時間的長短和電流的變化情況。

2. 演示實驗不僅要切合教材的內容，明確實驗的目的，更重要的是實驗效果要明顯，對學生來說才更有說服力。如果是使用學生實驗規格的電容如

470μF 甚至更小，燈L1亮度極小，難以觀察，燈L1就起不到明顯的顯示作用。

3. 舊式單刀雙擲開關和小燈等元件多次使用后壽命變短得較快，且單刀雙擲開關多次使用后不動端會松，不穩定。

4. 作為演示實驗，元件較小，不利于學生遠距離觀察，也沒參與實驗，印象不深刻。

二、 改進后的電容充放電實驗原理和分析

根據以上提到的一些問題，我把該演示實驗改成分組實驗，可以給學生準備好一些常用的元件，包括電阻、撥碼開關、發光二極管、電容、電池盒、

5號電池、萬能實驗板等，并且給出改進后的工作原理圖，讓學生根據原理圖連接好電路，并且進行實驗現象的觀察，記錄和分析。

如下圖b所示為改進后的電路原理圖。

此電路可以進行電容充放電演示的實驗。該電路的充電電路由C1、C2、K1、R1及LED1組成，LED1用于顯示充電電流的大?。黄浞烹婋娐酚蒏2、R2、LED2、C1和C2組成，發光二極管LED2用于顯示放電電流的大小。

當閉合開關K1時，電路處于充電狀態。電路中產生充電電流，流經K1、R1和LED1，給電容C1、C2充電。在開關K1閉合的瞬間，C1、C2沒有電荷，電容兩極板間的電壓都是零，此時得到最大的充電電流，發光二極管LED1的亮度最強，隨著充電電流的減弱，LED1的亮度也逐漸減弱，直至充電完成，LED1熄滅。

當LED1熄滅，表示電容C1、C2已充電完成。此時，斷開開關K1，閉合開關K2，兩電容開始通過K2、R2和LED2放電，點亮LED2，這表示電容在放電時電路中有電流流過。此時，電容C1、C2兩極板間的電壓隨著儲存的電荷的逐漸減少而降低，LED2的亮度也由最亮迅速變暗，直至電容兩端電壓為零時LED2熄滅，放電結束。

除了觀察到上面的現象外，我們還需要觀察電流通過的時間長短。電阻R1和R2在電路中作為限流電阻，通過更換電路中R1和R2，我們可以發現R1和R2越大，充放電過程中LED1和LED2點亮的時間越長；若在電路中再多并一個電容，那么充放電過程中LED1和LED2點亮的時間也會越長。由此我們可以推斷，電流通過時間的長短和限流電阻以及電容容量大小都有關。

三、 改進后電容充放電實驗的優點

此設計與上面提到的教科書上的方案設計對比有以下優點：

1. 把電容充放電的教師演示實驗變成學生的分組實驗，學生可以更清晰地觀察實驗現象。此外，也增強了實驗的趣味性，學生在實驗過程中親自動手操作，體現了探究學習中學生的主體地位，他們對課本上理論知識的理解也會更深刻。

2. 改成分組實驗所需要用的電子元件都是實驗室常用的電子元件，容易購買，價格低廉。萬能實驗板的使用，可以給學生一點提示，利用它能做各種各樣的電學實驗和制作，這次實驗一定程度上可以激發學生的學習興趣。

3. 實驗室中一般都是小容量的電容，電路中用了兩個470μF的電容并聯來提高電容的容量，延長試驗時間，更利于觀察充放電過程。

4. 用發光二極管來代替小燈，解決了小燈因電容容量較小，燈的亮度不明顯造成觀察不到的問題，且發光二極管的壽命比小燈長。

5. 用撥碼開關代替單刀雙擲開關，能滿足在萬能實驗板上即插即用的要求，所占空間小，且有封裝安全、防水、耐高溫等優點。

根據以上的分析，改進后的實驗方案解決了原方案出現的一些問題，并且能讓學生參與到實驗中，能滿足物理課堂的需求，并且可以提高學生的動手能力、求知欲望和學習熱情，對物理教學能起一定的促進作用。

參考文獻：

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作者簡介：陳冰，廣東省廣州市協和中學。endprint