利用RC振蕩電路創新設計電容器特性的實驗裝置

吳清理

摘 ? 要：高中物理選修教材中“電容器的容抗及其應用”一節，對電容器及電容器特性進行了理論闡釋，這部分內容比較抽象，又沒有相應的演示實驗器材。大部分學生由于缺乏感性認識，只能夠死記硬背。為了讓學生能夠更好地理解電容器及電容器特性的知識，于是引入RC振蕩電路，創新設計出一個能直觀形象地演示電容器特性的實驗裝置，幫助學生感性地理解與掌握電容器的特性。本實驗裝置已向國家知識產權局申請實用新型專利，并獲得了授權。

關鍵詞：RC振蕩電路;電容器;容抗;交變電流

引言

普通高中課程標準實驗教科書，在選修教材“電容器的容抗及其應用”一節中，對電容器及電容器特性進行了理論闡釋，但沒有相應的演示實驗。大部分學生由于對于該方面知識缺乏感性認識，未能很好地理解電容器及電容器特性相關知識，于是對老師的講解感到有點抽象迷茫，只能夠死記硬背。

為了讓學生能夠更好地理解電容器及電容器特性的知識，如電容器具有隔直流，通交流;電容器的容抗和電容量成反比;電容器的容抗和交變電流的頻率成反比等的特性，于是在引入RC振蕩電路的基礎上，創新設計出一個能直觀形象地演示電容器特性的實驗裝置。

1 ?實驗裝置的特點和用途

1.1 ?特點

RC振蕩電路是指用電阻R和電容C組成選頻網絡的振蕩電路[ 1 ]，一般可以產生1Hz-1MHz范圍的低頻信號。對于本次設計的電路中引入RC振蕩電路，如圖1虛線框所示，電路設計相對簡單。

在演示操作過程中，用一只9V干電池作為本實驗裝置的電源，只需調節RC振蕩電路中電阻器Rv的阻值就可以改變RC的振蕩頻率，從而輸出頻率可調的交變電流。因此，利用本次設計的實驗裝置可以直觀形象地演示電容器的特性及電容器的容抗和電容量、頻率的關系。本實驗裝置具有操作簡單，實驗現象明顯，攜帶方便，既可以用于課堂教學的實驗演示，也可讓學生進行分組活動，自主探究。

1.2 ?用途

（1）演示電容器具有隔直流，通交流的特性;

（2）演示電容器的容抗和電容量成反比的關系;

（3）演示電容器的容抗和交變電流的頻率成反比的關系。

2 ?實驗裝置電路圖及所用電子元件型號數值

2.1 ?實驗裝置電路圖

本次創新設計的演示或探究電容器特性的實驗裝置的電路圖如圖1所示，電路圖左邊虛線部分引入了由電阻R和電容C組成選頻網絡的振蕩電路?？紤]到實驗裝置用電的安全，故所設計的電源為9V直流電，經過振蕩電路后，輸出為交變電流，利用調節可變電阻Rv（電位器），使輸出的交變電流的頻率隨著可變電阻阻值的變化而產生變化，測得本實驗裝置輸出的交變電流，頻率大約在8Hz-40Hz之間，連續可調。

電路圖右邊■ 、■是一個實驗所用的電容器，為了讓演示效果的更為明顯，所以設計所用的■ 、■的電容量相差較大有十倍之多，故在實驗裝置中■、■的電容量設計為10μF和1μF。圖中的1、2、3、4均為接線柱，方便在演示或探究時，改變所用的實驗電路。

具體實驗裝置所用電子元件型號與數值見表1。

2.2 ?實驗裝置所用電子元件型號與數值見表1

表1

3 ?演示操作過程

3.1 ?演示電容器具有隔直流，通交流的特性

首先，斷開S1、S2 、S3連接1、4兩端，閉合S，直流電源和C4、LED1構成回路，觀察到 LED1沒有發光，再閉合S1，LED1發光。這就說明電容器具有隔直流的特性。

其次，斷開S1、S2 、S3連接2、4兩端，閉合S，構成回路，觀察發現LED1發光。這也說明電容器具有通交流的特性。

再次，連接1、3兩端，閉合S，構成回路，觀察發現毫安表讀數為0，說明沒有電流通過。連接2、3兩端，閉合S，構成回路，觀察發現毫安表讀數不為0，說明有電流通過。這同樣說明電容器具有隔直流，通交流的特性。

從以上這些演示實驗觀察到的現象中可以得出，電容器具有隔直流，通交流的特性。

3.2 ?演示電容器的容抗和電容量成反比的關系

第一步，斷開S1、S3，閉合S2，連接2、4兩端，閉合S，構成回路，觀察發現LED1和LED2發出的光線亮度基本相同，閉合S1，觀察發現LED1發出的光比LED2亮。

第二步，再閉合S3，又構成回路，觀察發現電容量為10μF的電容器對應的LED2發出的光較亮，電容量為1μF的電容器對應的LED3發的光較暗。

這部分演示實驗形象直觀，可以定性地說明，電容器具有容抗，且電容量相等的電容器容抗相等，電容量大的電容器容抗小，電容量小的電容器容抗大。

3.3 ?演示電容器的容抗和交變電流的頻率成反比的關系

本部分實驗借助示波器進行演示

具體的演示操作過程如下：

選用J2458-1型示波器Y輸入端接3接線柱，連接2、3兩端，閉合總開關S，構成回路，從左到右調節可變電阻RV，隨著可變電阻的阻值降低，從示波器的波形變化中可以觀察到交變電流頻率升高，隨著交變電流頻率的升高，觀察發現毫安表的讀數也逐漸增大。

這部分的演示實驗的結果，從示波器所觀察到的現象可以得出，隨著交變電流的頻率升高，電容器的容抗降低，通過回路的電流增大，即電容器的容抗和交變電流的頻率成反比。（如圖2、圖3所示）

因此，通過以上的實驗可很好地演示電容器具有隔直流，通交流的特性;形象直觀地說明，電容器具有容抗，電容量大的電容器的容抗小，電容量小的電容器的容抗大;在創新設計的電路中利用示波器和毫安表示數的大小，化抽象為具體地演示出電路中隨著交變電流頻率的升高，電容器的容抗降低，即電容器的容抗和交變電流的頻率成反比的關系。

4 ?實驗裝置的創新點

（1）演示電路將電源、RC振蕩器、毫安表、電容器、LED等集中在一塊面板上，一目了然。打開箱蓋后，便可直接進行實驗操作，儀器小巧輕便，容易攜帶，隨時隨地可以進行演示。

（2）演示時操作簡便，學生從LED閃爍頻率亮度或示波器的波形變化中，直觀地感受到交變電流的頻率變化，明顯地觀察到容抗的變化。

（3）演示過程中現象明顯，兩只LED亮度差別較大，示波器的波形和毫安表的讀數變化也比較大，學生能直觀形象地觀察到電容器的特性及容抗等物理現象，增加了感性認識，提高學生的學習興趣和理解能力，進一步培養學生的探索精神。

5 ?進一步完善構思

本實驗裝置所設計的RC振蕩電路中的三個三極管，采用實驗室現有的3AX31型號，這三個三極管雖然能滿足本實驗裝置的需求，但由于輸出功率較小，無法滿足毫安表和三只LED電路同時工作的需求。今后將對RC振蕩電路重新設計，提高輸出功率，讓毫安表和三只LED電路同時工作，這樣實驗將會更加直觀，操作更加簡便。

參考文獻：

[1]吳友宇.模擬電子技術基礎[M].北京：清華大學出版社，2009.