高中生對電容器學習的難點分析及其對策

周桑霓

(廣州華南師范大學物理與電信工程學院 510006)

一、難點及其對策

1.電容器的結(jié)構(gòu)及其作用

高中生對于學習電容器的第一個難點就是對電容器的結(jié)構(gòu)及其作用的理解.任何兩個彼此絕緣又相距很近的導體，都可以組成一個電容器.例如生活中廣泛運用的短天線，雖然看著不像，但也是一種電容器.在高考題中經(jīng)常出現(xiàn)的平行板電容器由兩塊金屬板和一層或多層絕緣電介質(zhì)構(gòu)成.在兩金屬板間加上電壓，兩個極板間會存在電勢差，電勢差產(chǎn)生電場，在電場力的作用下，電極存儲電荷.所以說它是一種是儲能元件.

為了幫助加深高中生對于電容器作用的理解，可以采用類比法，將電容器類比為水容器(柱形水桶).評價一個水桶，應該知道它可以裝多少體積水，也就是容納水的能力.如果知道這個水桶的高度和可以容納多少體積的水，也就可以知道水桶的橫截面積.這個參數(shù)是由水容器自身性質(zhì)決定的.同理，評價一個電容器，就應該通過它容納電荷的本領來評價.電容器極板上的帶電量就相當于水桶里水的體積，電容器的電容就相當于水容器的底面積，是由電容器自身的性質(zhì)決定的，不隨外界的改變而改變.就像水桶必須有高度才能儲存水一樣，必須在極板的兩端給電容器提供外加電壓，它才能儲存電荷.在不同的電容器兩極上加上相同的電壓，由于自身的性質(zhì)差異，它們儲存的電荷量可能也有所差距.國際上統(tǒng)一規(guī)定，給電容器外加1伏特直流電壓時，它所能儲存的電荷量，為該電容器的電容量(即單位電壓下的電量)，用字母C表示.

通過這個類比，學生們可以更加好的理解這個公式.

2.電容器充電的理解難點

把電容器的一個極板接電源的正極,另一個極板接電源的負極，兩個極板分別帶上了等量的異種電荷，這個過程叫電容器的充電.在這里會有同學有疑惑，為什么接電源的極板上的自由電子會移動到另外一個極板上呢？這是教師應該帶領學生回顧電勢差，電場力這一章節(jié)所學習的內(nèi)容，融會貫通，引導學生進行思考.

有同學會對電容的充放電曲線產(chǎn)生疑惑，不能理解為什么在電容器兩端剛開始接通電源時，電流達到最大值，而隨著時間的增加電流卻逐漸減小.為解釋這個疑惑，教師需要仔細講解充電的具體過程.實際上電流是由電荷定向移動形成.隨著電荷的不斷移動，電容器兩極板上累積的電荷不斷增加.當電容器兩極板間累積的電荷所產(chǎn)生的電壓等于電源電壓時，由于兩個電壓的疊加作用，極板兩端便不再存在電勢差.電荷沒有了驅(qū)動力無法移動，因此電流減小為零.電容器看起來是存儲電荷，實質(zhì)上儲存的是電場能.充電后的電容器的兩極板之間有電勢差，存在電場，電能轉(zhuǎn)化成電場能.

在演示電容的充放電時，老師常在課堂上采用靜電計進行探究實驗.但是由于靜電計這個實驗受到環(huán)境(例如空氣濕度)，器材和教師個人實驗操作技能等因素的影響很大，實驗的成功率往往不高，會阻礙學生對這一知識點的理解.同時學生不了解靜電計的工作原理，不明白實驗現(xiàn)象的含義，這在一定程度上造成了認知障礙.因此這個傳統(tǒng)的實驗往往無法發(fā)揮它的作用.在這里，可以應用數(shù)字化平臺DISLAB來優(yōu)化實驗，提高實驗成功率.數(shù)字化實驗平臺可以通過電腦直觀的反應電容的充放電過程，更有利于學生進行理解.

同時教師可以引導學生思考，電容器上的電壓是否能突變.在充電和放電過程中，電容器兩極板上電荷的聚集是一個累積過程，因此電壓建立需要一定的時間而并不能突變.

3.電容器如何隔直通交

電容器具有阻止直流電流通過，允許交流電流通過的能力.許多同學對于電容器這一特性僅限于了解，而不能很好的解釋電容器究竟是如何阻值直流通過，允許交流通過的.

事物內(nèi)在的結(jié)構(gòu)決定了它外在特性的表現(xiàn).因此要理解電容器隔直通交的特性，首先要了解電容器的結(jié)構(gòu).電容器由兩端的極板和中間的絕緣電介質(zhì)構(gòu)成.電容器通直流電后，極板迅速積累電荷，攜帶不同類型電荷的兩個極板間形成電勢差.雖然極板間有電場的存在，但由于中間的物質(zhì)是絕緣的，電荷無法通過，因此整個電容器是不導電的，這就是通常說的隔直.

在交流電路中，電流的方向是隨時間成一定的函數(shù)關(guān)系變化的.我們一般利用正弦函數(shù)表達正弦交流電：

U=Umaxsin(ωt+φ)(2)

由公式可看出，電容器兩端的電壓也和時間成一定的函數(shù)變化關(guān)系，這與直流電路有所不同.在直流電路中，兩端極板的電荷累積到一定程度時，兩極板間沒有電勢差，電荷沒有了驅(qū)動力，不再移動.沒有電荷移動則沒有電流.但在交流電路中，電容器接入交流回路時，兩極板的電勢差在不斷改變，電荷則不斷有驅(qū)使它運動的驅(qū)動力.所以在充放電過程中，電容可以通過交流電流.實際上，電流是通過電場的形式在電容器間通過的，而不是一般意義上的電流.這一點對于學生來說也是十分不好理解的.

這個時候老師可以做一個延伸.任何物質(zhì)都是相對絕緣的，當物質(zhì)兩端的電壓加大到一定程度后，物質(zhì)是可以導電的.使物質(zhì)可以開始導電的電壓稱為擊穿電壓.電容也存在著擊穿電壓.電容被擊穿后，中間的物質(zhì)便不可以看做絕緣體處理了.但在中學階段，題目中的電容器通常的工作電壓都默認小于擊穿電壓.所以在題目中，學生在直流電路中遇到電容器，可以把它當做絕緣體處理.

二、總結(jié)

為了讓學生可以更好的理解電容器，教師在課堂上不能疏忽對于電容器結(jié)構(gòu)的講解，因為對電容器結(jié)構(gòu)的理解是學習電容器特性的基礎，教師可以使用類比法幫助學生對電容器進行理解.在探究電容器時，可以使用數(shù)字化實驗平臺代替?zhèn)鹘y(tǒng)的靜電計實驗.