優化實驗探究路徑 深度建立電容概念

任虎虎 倪紅飛

(1. 江蘇省太倉高級中學，江蘇 太倉 215411； 2. 太倉市教師發展中心，江蘇 太倉 215411)

基于深度學習的實驗探究教學是充分挖掘實驗蘊藏的邏輯、思想方法、意義和價值,以促進學生高階思維、思維品質的發展,幫助學生深度建立物理概念,形成物理觀念,發展科學思維．

1 基于比較——確定研究方案

在理解電容器的功能和結構后,提出問題:電容器是儲存電荷的儀器,兩個不同的電容器儲存電荷的本領大小如何比較呢?

圖1 電容器充、放電

可以用同一電源給兩電容器充電,很顯然帶電荷量大的儲存電荷的本領強．帶電荷量的比較可以用如圖1所示電路,將一電容器接入電路,當單刀雙擲開關S接1時,電容器充電,S接2時電容器放電,會有電流流過燈泡,燈泡會發光;再將另一電容器接入電路,同樣會觀察到燈泡發光,可以通過比較兩次燈泡亮暗程度和時間來比較帶電荷量的多少．

圖2 兩電容器同時充、放電

對于上面的方案,有學生提出不同時刻不好比較燈泡誰亮誰暗,為了便于比較,兩電容器能不能同時放電?于是提出如圖2所示的研究方案,兩燈泡完全相同,兩單刀雙擲開關同時接1、3和2、4．進一步,為了更方便操作可以用一雙刀雙擲開關代替兩單刀雙擲開關,最終得到如圖3所示的實驗研究方案．

圖3 改進后的實驗方案

2 現象分析——得出定性結論

圖4 自制實驗裝置

在前面和學生一起實驗方案設計的基礎上,筆者自制了如圖4所示的實驗裝置,充電電源用的是學生電源,兩燈泡用的是“12 V、12 W”的LED燈,電容器用的是兩電容相差10倍的電解電容器．

實驗現象1:電源電壓為6 V時,發現其中一個燈泡比另一個燈泡更亮,并且亮的時間更長．

現象分析:更亮說明流過電流I大,時間t也大,根據Q=It,說明其儲存的電荷量多．

定性結論:說明不同電容器用相同電源充電后,儲存電荷的本領不同,儲存的電荷量越多其儲存電荷的本領越強．

實驗現象2:當電源電壓增大到8 V時,發現兩燈泡明顯的都比原來更亮,亮的時間也更長．

定性結論:根據Q=It,對于同一個電容器,充電電壓越大,儲存的電荷量越多．

3 問題驅動——滲透比值思想

在上面定性分析的基礎上,提出兩個討論的問題,滲透比值定義的思想,幫助學生學會如何科學地描述電容器儲存電荷本領的大小．

問題1:如果兩電容器在不同充電電壓下帶電荷量相同,見表1,誰儲存電荷本領強?如何比較?

表1 不同充電電壓，相同的電荷量

問題分析:借助前面的結論，對于同一個電容器,充電電壓越大,儲存的電荷量越多．當電容器a的充電電壓增加到2U0時,其儲存的電荷量將大于Q0,相同充電電壓下,電容器a儲存的電荷量多,其儲存電荷的本領強,即兩電容器儲存的電荷量相同時,電壓越低,相應電容器儲存電荷的本領越強．

問題2:表2中3個電容器誰儲存電荷本領最大?如何比較?

表2 不同充電電壓，不同電荷量

問題分析:這3個電容器充電電壓各不相同,儲存的電荷量也不同．可以在相同充電電壓下比較儲存的電荷量大小,也可以在儲存相同的電量時比較電壓大小,即可以用儲存的電荷量Q與充電電壓U的比值來反映電容器儲存電荷本領大小,電荷量Q與電壓U的比值越大,儲存電荷的本領越強．

4 具身體驗——嘗試解決問題

如果用電荷量和電壓的比值反映電容器儲存電荷本領的強弱,那么對于一個確定的電容器,在不同電壓下的帶電荷量Q與電壓U的比值應該是一個定值,如何證實這一想法呢?可以通過實驗進行定量測量,其中電壓U容易測量,關鍵是如何測量電荷量Q,Q可以通過測量電流I和時間t來計算．

基于圖1,筆者自制了實驗裝置,學生每兩人一組,如圖5所示,通過體驗研究充電電流和放電電流的變化特點,用電流表測量電流變化．學生觀察到:當單刀雙擲開關讓電容器充電時,指針先偏轉到最大后回到零;當開關讓電容器放電時,指針向相反方向偏轉到最大后也回到零,大致作出的圖像如圖6所示．

提出問題:得出i-t圖像后,如何求得電容器的帶電荷量Q?

學生根據之前v-t圖求位移、F-x圖像求功的方法和經驗,想到求i-t圖像與坐標軸圍成的面積算電荷量．

圖5 學生體驗觀察

圖6 學生作出的i-t草圖

很顯然學生作出的草圖得到的電荷量偏差很大,為了精確測量畫出圖像,用電流傳感器進行實驗．

5 定量探究——建立電容概念

用電流傳感器代替學生實驗中的電流表,得到的i-t圖像如圖7所示．然后借助DIS平臺的“積分”功能,求出圖像和坐標軸圍成的面積,發現充電時的電荷量Q1比放電時的電荷量Q2略大一點點．這里采用充電時的電荷量作為電容器所帶電荷量．

圖7 電流傳感器測得i-t圖

用兩不同電容器進行實驗,電壓U用電壓傳感器進行測量,分別得到5組實驗數據如表3所示.

表3 電容器的帶電荷量和電勢差的測量數據

為了形象直觀地反映出Q與U間的關系,讓學生分別做出兩個電容器的Q-U圖像,如圖8所示．

從圖像可以得出:對于同一個電容器,Q與U成正比,即Q與U的比值相同,不同的電容器Q與U的比值不同．

圖8 兩電容器Q和U的圖像關系

這個比值就反映了一個電容器儲存電荷本領的強弱,把這個比值就定義為電容器的電容,用符號C來表示,即C=Q/U.

6 類比反思——深度理解電容

為了幫助學生深度理解電容器的電容概念,可以用如圖9所示的類比,大水庫通過連通器對兩個圓柱形容器充水,由于水庫水量很大,打開閘門后,水庫的高度保持不變,兩儲水容器的高度相等,底面積大的儲存水的本領更強．這里大水庫相當于電源(高度不變相當于電壓保持不變),閘門相當于開關,兩柱形儲水容器相當于電容器(橫截面積相當于電容),如圖10所示．

還可以繼續類比幫助學生理解擊穿電壓．對于一個確定橫截面積的儲水容器,高度越高,其能容納水的總量越大,根據“帕斯卡裂桶實驗”,高度高到一定程度后水桶底部會被壓裂,同理,電容器的電壓也不能無限增大,增大到某一個值,電容器中間的絕緣介質會被擊穿,這個極限電壓就是擊穿電壓．

圖9 水容器充水

圖10 電容器充電