電容器充放電演示儀的創新設計及實驗演示

劉利瀾

(廣州市玉巖中學 廣東 廣州 510700)

李德安

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

演示實驗是物理教學的重要組成部分，將抽象化的知識或概念具體化為直觀清晰的實驗現象，不僅能加深學生對物理知識的理解，還能培養學生知識遷移的能力和創造性思維.近年來，自制創新教具因其取材方便、現象明顯、教學效果良好等而逐漸被用于課堂教學中[1,2].

“電容器的電容”是高中物理的一個重要教學內容，但電容器進行充放電的過程抽象，不易被學生理解，因此有必要將電容器充放電過程具體化.針對“電容器的電容”教學現狀，創新地設計了電容器充放電演示儀，該教具是集電、光、磁于一體的多功能演示儀，通過演示不同的實驗現象促進學生對電容概念的理解，激發學生的好奇心，優化課堂教學.

1 教具的設計與改進

1.1 優化教材原型實驗

在高中物理教材人教版選修3-1中介紹的演示實驗，采用靈敏電流計偏轉情況顯示電容器充放電過程(如圖1所示)[3].

圖1 教材中電容器充放電電路圖

在實踐中發現，該方案存在兩方面的問題：一是靈敏電流計量程較小，導致充放電現象可見度不高且稍縱即逝，還易造成儀器的損壞.二是該方案中單一地用靈敏電流計來表示充電與放電過程，易讓學生誤以為電容器儲存的電荷只能輸出成電能，實際上，電容器放電時釋放出的電能，還能被轉化為其他形式的能量加以利用.筆者認為該實驗演示較為片面，過程缺乏探究性.

針對教材實驗存在的不足，設計了多功能電容器充放電演示儀，如圖2所示.

圖2 改進電路圖

具體改進如下：

(1)利用小燈泡的亮暗演示充電過程.

(2)用單向導通的發光二極管檢測充放電的電流方向.

(3)利用耗電少的石英鐘記錄放電時間.

(4)利用電磁炮演示電容器釋放的電能可轉換成其他形式的能量.

1.2 制作材料

3種不同規格的電解電容(分別是“1 000 μF,25 V”“2 200 μF,25 V”“3 300 μF,25 V”)各1只；學生電源(12 V)；單刀雙擲開關1只；單刀開關 4 只；電位器(10 kΩ)1個；小燈泡(2.5 V,0.3 A)1個；電阻(50 Ω)一個；石英鐘(3 V)1個；KT板1塊；發光二極管若干,線圈、木板、磁鐵釘、導線等.(說明：以上器材參數是筆者嘗試后認為有明顯實驗現象而確定的，研究者可自行調整)

1.3 實驗裝置的制作

(1)按圖2所示的電路圖組裝“電容器充放電演示儀”裝置，如圖3所示.

圖3 教具裝置圖

(2)搭建框架

利用一塊長木板作為裝置的底座，將KT板放置在木板底座上作為放置元器件的平臺，并用4根木條固定整個框架.

(3)電路設計

在干路上串聯一個R0作為保護電阻保護電路，將3種不同容量的電容器并聯到電路中，對比不同容量電容器儲電能力.將10 kΩ電位器和發光二極管以及石英鐘串聯起來并入電路中，電位器可調節電路電阻，調節電容器放電時間.利用發光二極管(將紅色發光二極管焊接成桃心形狀，使現象更明顯、有趣)的特性能展示電流的大小和方向，石英鐘具有能記錄時間且損耗電能較少的特點，該儀器的引入可增加實驗現象的可見度和直觀性.

(4)制作電磁炮

將多匝線圈繞在PVC管上，并在管內放一個磁鐵釘，電磁鐵裝置并聯接入電路中.給電磁鐵通電后，鐵釘會從電磁鐵中發射出來，觀察鐵釘發射后飛出的方向和距離，可判斷電流的方向和大小.電磁炮的引入可增加教具的趣味性和實踐意義.

2 電容器充放電演示儀的演示

2.1 使用方法

(1)根據實驗需要選擇電路

根據需要演示的實驗過程，通過開關閉合或斷開選擇演示儀的相應電路.

(2)電容器充電過程

接通電源，將單刀雙擲開關S1撥到1端，閉合電容器上端的開關(可任意選取S2,S3，S4)，電容器開始充電，小燈泡先閃亮后熄滅表示充電完成.

(3)電容器放電過程

在步驟(2)的基礎上將單刀雙擲開關S1撥到2端，閉合發光二極管上端開關S5，電容器開始放電，發光二極管亮起，石英鐘走動計時，發光二極管亮度逐漸減弱至熄滅，石英鐘停止走動表示放電完畢.

(4)電磁炮趣味實驗

在步驟(2)的基礎上將單刀雙擲開關S1撥到2端，將電磁炮路端的開關S6閉合，電容器放電，可觀察到電磁炮中的磁鐵釘飛出.

2.2 電容器充放電演示儀的教學演示

本教具的開發遵循多功能的設計原則，力求起到一具多用的效果.通過在課堂上利用上述自制的低成本創新電容器充放電演示儀，教師可引導學生帶著問題走進實驗室，通過實驗現象思考問題.

2.2.1 創設情境 導入電容器

(1)將單刀雙擲開關S1撥到1端(電源電壓為12 V)，再閉合開關S2接入量程為“1 000 μF,25 V”的電容器，可觀察到小燈泡L1先閃亮后逐漸熄滅.

(2)小燈泡熄滅后將單刀雙擲開關S1撥到2端，閉合開關S5，可觀察到發光二極管發光，同時石英鐘走動計時.

通過該演示實驗的現象引發學生的認知沖突并提出問題：發光二極管發光、石英鐘會走動說明有電流通過，但電路中沒有接入電源，此時的電流從何處來？引發學生的討論，激發學生的求知欲.接著引導學生觀察電路圖，猜想發光二極管能發光與電容器有關，導入電容器，通過實驗現象為學生創設情境，引導學生解決問題.改進后的演示實驗可視性增強.

2.2.2 觀察充放電過程 建立電容概念

在2.2.1演示實驗中，學生猜測發光二極管能發光與電容器有關，但這還停留在對現象的認知上，此時，教師可進一步提出問題，電容器是什么以及如何工作的？教師引導學生觀察電容器充放電過程的示意圖(圖4)，發現電容器是一種儲存電荷的“容器”，充電時，電容器儲存了電能；而放電時，釋放出儲存的電能，并轉化為其他形式的能量加以利用.在建立了電容器的概念后，學生對電容器產生了一定的認識，教師可引導學生思考：既然電容器是一種儲存電荷的“容器”，那就有“容量”大小的問題，如何表征電容器的儲電能力？具體演示如下：

圖4 電容器充放電過程示意圖

(1)將單刀雙擲開關S1撥到1處，在閉合開關S2后可觀察到小燈泡L1先閃亮后逐漸熄滅，該現象表示電容器充電完成.

(2)小燈泡熄滅后將單刀雙擲開關S1撥到2端，閉合開關S5，可觀察到發光二極管開始發光，同時石英鐘開始走動計時.

(3)隨著時間的增加，發光二極管亮度逐漸減弱至熄滅，石英鐘停止走動，該現象表示電容器放電完畢，石英鐘走過的時間能大致反應電容器放電的時間，引導學生記錄該電容器放電的時間.

(4)按照同樣的操作步驟可分別再閉合開關S3,S4，引導學生觀察不同電容器充電時小燈泡的閃亮程度，在放電過程中觀察石英鐘記錄的不同電容器的放電時間.可觀察到電路中接入的電容器的電容越大，充電時小燈泡會越亮；放電時，石英鐘走過的時間越長，能反映出該電容器放電時間越久.

演示實驗中通過石英鐘記錄不同容量的電容器放電時間，可以定性地分析電容器容量對電容器儲電能力的影響：充電電壓相同時，電容越大，電容器放電時間越久，即說明其儲電能力越強.理論分析和實驗驗證相結合的手段，幫助學生建立電容的概念.結合定性的實驗方式對比不同容量的電容器放電時間，以間接描述電容器儲電能力的強弱，在演示實驗過程中滲透控制變量的物理思想，促進學生構建電容概念的同時，培養學生的科學思維.

2.2.3 趣味拓展 深化電容器的認識

在學生學習完電容器的電容知識后，部分學生對電容器的了解停留在知識層面，原因是部分學生缺乏將電容器與生產生活聯系的經驗.在本教具中，電磁炮作為趣味拓展物理實驗，通過將炮彈(磁鐵釘)射出直觀地說明電容器放電過程中釋放的電能可轉換成其他形式的能量被加以利用，同時，也是一個將物理知識應用于生活實踐的具體案例.

(1)在電容器充電完成后，將單刀雙擲開關S1撥到2端.

(2)閉合開關S6，由于通電螺線管產生磁場，磁鐵釘受安培力的作用后飛出(注：用有一定長度的細繩綁住磁鐵釘，以制約磁鐵釘飛出的距離，避免磁鐵釘飛出后造成危險).

(3)在電路中接入不同電容大小的電容器(C1,C2,C3)，電磁炮中的磁鐵釘飛出的距離不同.即電路中接入電容越大的電容器，放電時，電磁炮中的磁鐵釘飛出的距離越遠.

同時，可引導學生課后查閱資料思考：(1)電磁炮的工作原理；(2)電磁炮在生產和軍事中的發展與應用；(3)電容器在生活中的其他應用.該拓展實驗的引入不僅能起到深化學生對電容器的認識，還能促進學生將理論知識與實際生活相聯系，可構建知識間相互聯系.還可以此為啟發，促進學生開展其他內容的科學實踐和教具設計.

3 結束語

演示實驗是物理課堂教學的重要組成部分，利用自制教具不僅能突破傳統電容器充放電實驗的演示局限，還能增進知識與生活實際的聯系.教具的教學作用與演示實驗的目的和演示效果密不可分，同時也與教師的觀察指引和思維啟發相互呼應[4，5].因此，教具的設計與使用需體現透過實驗現象觀察物理本質的思想，并與一定的教學策略結合，合理發揮自制教具的功能，達到提升課堂教學效率，不斷豐富物理教學形式的目的.