研制平行板電容器決定式演示儀定量研究電容大小的影響因素

尤燕 丁永文

摘 要： 通過對人教版高中物理選修3-1中“研究影響平行板電容器電容大小的因素”中的實驗裝置進行分析，制作了平行板電容器決定式演示儀，使學生能定量地、直觀地感受平行板電容器的電容值與兩極板間距、極板正對面積、介質介電常數的關系，加深對平行板電容器的理解.

關鍵詞： 演示儀;平行板電容器;影響因素;介電常數

文章編號： 1008-4134（2019）23-0036 ? ? 中圖分類號： G633.7 ? ? 文獻標識碼： B

1 平行板電容器演示裝置的不足

人教版高中物理《物理選修3-1》中第一章第八節介紹了電容器的相關知識.教材內容提到了“研究影響平行板電容器電容大小的因素”演示實驗裝置，如圖1所示，該裝置通過靜電計指針的變化得知兩極板板間電勢差的變化，根據電勢差的變化判斷電容的變化，雖然該實驗裝置幫助學生理解物理概念，但是實驗裝置在進行操作和實驗結論得出的過程中存在一些不足之處[1]：第一，實驗裝置是利用靜電計，因此要求實驗環境極高，圖1（a）和（b）改變正對面積和兩板間的距離，一般課堂上很難看到靜電計的偏角發生明顯變化，演示效果不明顯;第二，實驗無法對極板間距、正對面積等進行定量測量，只能通過觀察靜電計偏角大小來間接反映電容器電容的變化，因此，實驗只能是定性描述.定性研究的前提是電容器兩極板帶電量Q值恒定，而這一點在實際操作中很難保證;第三，學生對靜電計工作原理的理解存在很大困難，增加了學生對該實驗的理解難度.

2017版《普通高中物理課程標準》以促進學生發展為導向， 將育人作為出發點， 并在課程標準中明確學科核心素養，物理學科核心素養首要是物理觀念[2，3].高中學生已經具備一定的分析推理和邏輯思維能力[4]，高中物理實驗教學設計是培養與訓練學生動手操作能力與創造性思維能力的重要途徑[5].本文利用螺旋測微器、滑塊、軌道、鋁板以及數字電容表制作成儀器，實現了精密的定量測量，通過平行板電容器兩極板間距和兩極板正對面積的精密測量，讀取每種條件下電容器的電容值，調動學生的好奇心和培養學生的創新思維能力，激發科學探究的興趣，理解物理概念充分，設計思路清晰，得出正確的結論.

2 演示儀的設計與制作

2.1設計原理

2.2 設計思路

根據實驗原理，用兩塊鋁板制作平行板電容器.設計思路如圖2所示.一塊鋁板固定在螺旋測微器上，另一塊鋁板固定在滑塊上，通過調節螺旋測微器改變兩極板之間的距離，研究電容與極板間距的關系.通過在軌道上移動滑塊改變兩極板正對面積，為了更加清晰地觀察兩極板間正對面積的變化，在鋁板上畫上等分線，研究電容與極板正對面積的關系.在兩極板間插入不同介質板，研究電容與介質介電常數的關系.電容值用數字電容表測量，可以得出具體的數值關系，實現定量分析.

2.3 設計材料與實驗過程

本裝置需要大木板1塊、小木塊2塊、螺旋測微器1個、鋁板2片、電介質平板2塊、電容表1個、導線2根、螺柱2個.平行板電容器決定式演示儀實物圖如圖3（a）所示.

具體實驗過程如下：

（1）保持兩極板間的正對面積不變，調節螺旋測微器使兩極板的不同間距時，觀察電容表的示數，如圖3（b）所示.

（2）在電容器兩極板上畫上等分線，研究電容與極板正對面積的關系，通過移動滑塊使正對面積不同時，觀察電容表示數，如圖3（c）所示.

（3）向兩極板間插入其他電介質的時候會發現電容表的示數發生變化，如圖3（d）所示.

2.4 演示儀的優點

平行板電容器決定式演示儀，儀器簡單，容易操作，靈敏度、穩定性較高，能夠達到新奇的演示效果，從而調動學生學習物理實驗的積極性，激發學生對物理實驗的興趣，不僅培養學生動手能力，更重要的是引導學生培養學生的創新思維能力.

本裝置設計亮點有：一是利用螺旋測微器結構與平行板電容器兩極板的有機結合，通過調節螺旋測微器實現平行板電容器兩極板間距變化的精密測量;二是通過滑塊解決了兩極板正對面積的定量變化;三是用電容表直接測量平行板電容器的電容值，由于不需要給電容器帶電荷，因此實驗不受環境條件影響.

3 演示儀在教學中的應用

演示實驗時，引導學生結合平行板電容器的定義式，觀察實驗過程，依據儀器設計原理，首先保持兩極板間的正對面積3S不變，未加任何電介質，調節螺旋測微器使兩極板間距為5mm，通過電容表讀數.調節螺旋測微器使兩極板間距分別為7mm、9mm、11mm、13mm、15mm，讀取的電容值計入表1.保持兩極板間的正對面積3S不變，添加電介質，重復上述過程再次記錄數據.

保持兩極板間不添加電介質，調節螺旋測微器使兩極板間距為11mm時的正對面積分別是3S、2S、S時電容表讀數.調節螺旋測微器使兩極板間距為13mm時，重復上述過程，電容值見表2.

通過學生觀看測量數據使其對平行板電容器決定式有了更深刻的理解和認識，突出螺旋測微器在本實驗中的精密測 量，將抽象的物理公式，用實驗裝置展示在學生面前，使學生身臨其境感受平行板電容器決定式的原理.該裝置簡單容易操作、靈敏度、穩定性較高，能夠達到新奇的演示效果，從而調動學生學習物理實驗的積極性，激發學生對物理實驗的興趣，使學生在觀察演示實驗的過程中，逐漸形成一種敏銳的觀察能力，使學生在觀察實驗的同時思考平行板電容器的工作原理及其用途，加深了學生對物理知識的學習與理解.

參考文獻：

[1]馬順存.對平行板電容器實驗裝置的改進[J].物理實驗，2018，38（08）：63-64.

[2]彭兆光.淺談高中物理實驗教學中的創新教育[J].物理教學，2010，32（07）：32-35.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[4]張鵡.論可視化教育理論與高中物理教學創新[J].物理教師，2018，39（12）：23-25+29.

[5]卞望來.創新物理實驗教學 培養學生核心素養[J].物理教學，2019，41（02）：25-27.

（收稿日期：2019-09-14）