一種多功能電容器演示實(shí)驗(yàn)板

吳俊軍 王嘉瑋

(南昌市立德朝陽(yáng)中學(xué) 江西 南昌 330009)

1 引言

在高中物理電容器的教學(xué)中，筆者設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)多功能電容實(shí)驗(yàn)演示板．該板可貼于黑板上，通過(guò)插入便攜式電容器、小燈泡以及發(fā)光二極管等不同插件，實(shí)現(xiàn)不同功能，來(lái)演示不同的實(shí)驗(yàn)，如：電容器充放電過(guò)程中電流流向、同一電容器帶電荷量與電勢(shì)差的關(guān)系、同一電壓下帶電荷量與不同電容的關(guān)系以及粗略定量探究帶電荷量與電勢(shì)差關(guān)系等實(shí)驗(yàn)，極大地方便了課堂教學(xué)．

2 裝置介紹

2.1 多功能演示板

多功能演示板如圖1所示.

圖1 多功能演示板

2.2 元器件模塊

元器件模塊如圖2～4所示.

圖2 電容器模塊

圖3 小燈泡模塊

圖4 發(fā)光二極管模塊

3 演示實(shí)驗(yàn)

3.1 演示電容器充放電過(guò)程中電流的流向

我們制作的多功能演示板，其特點(diǎn)是利用拔插安裝有不同元器件的模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)完成多種演示實(shí)驗(yàn)的目的.

采用以下連接方式，可用來(lái)演示電容器充放電過(guò)程中電流的流向，裝置圖如圖5所示，操作步驟如下：

(1)如圖連接電路，S1置于“3 V”；

(2)將S2置于“充電”的同時(shí)，觀察D1模塊中發(fā)光二極管的發(fā)光情況(是紅發(fā)光二極管亮還是黃發(fā)光二極管亮)；

(3)將S2置于“放電”的同時(shí)，觀察D2模塊中發(fā)光二極管的發(fā)光情況(是紅發(fā)光二極管亮還是黃發(fā)光二極管亮)；

(4)根據(jù)發(fā)光二極管的特性可判斷出電流流向．

圖5 電容器充放電過(guò)程中電流流向的演示

3.2 演示同一電容器帶電荷量與電勢(shì)差的關(guān)系

通過(guò)改變S1的接通方式來(lái)改變電容器的電勢(shì)差，觀察電容器充放電時(shí)兩燈泡的亮度及發(fā)光時(shí)間來(lái)定性判斷電容器帶電荷量的多少．

操作步驟如下：

(1)如圖6所示連接電路，插入電容器模塊，保持電容器不變；

(2)S1置于“4.5 V”，再將S2置于“充電”，觀察L1的亮度及發(fā)光時(shí)間，將S2置于“放電”，觀察L2的亮度及發(fā)光時(shí)間；

(3)S1置于“3.0 V”，重復(fù)步驟(2)．

注意：S1先置于“4.5 V”，后置于“3.0 V”的目的是讓燈泡在開(kāi)關(guān)置于“3.0 V”時(shí)幾乎看不出亮度，與燈泡在“4.5 V”時(shí)較亮的狀態(tài)有強(qiáng)烈對(duì)比，從而思考帶電荷量可能還與電容器有關(guān)，以引出進(jìn)行下一個(gè)實(shí)驗(yàn)．

圖6 同一電容器帶電荷量與電勢(shì)差的關(guān)系

3.3 演示同一電壓下帶電荷量與電容器的關(guān)系

裝置圖同圖6，本實(shí)驗(yàn)接“實(shí)驗(yàn)2”，具體如下：

(1)插入小電容C1；

(2)S1置于“3.0 V”；

(3)S2置于“充電”，觀察L1燈泡亮度及發(fā)光時(shí)間，如不好觀察，可再次將S2置于“放電”，觀察L2燈泡亮度及發(fā)光時(shí)間；

(4)換大電容C2，重復(fù)步驟(2)、(3)．

3.4 粗略定量探究同一電容器帶電荷量與電勢(shì)差的關(guān)系

裝置示意圖如圖7所示，實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：

(1)按如圖所示連接好電路，閉合S1；

(2)可調(diào)穩(wěn)壓源調(diào)至“1.5 V”后，將S2置于“充電”；

(3)將時(shí)鐘秒針撥至“12”，充電完成后，將S2置于“放電”，秒針開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄秒針?biāo)吒駭?shù)；

(4)將電源電壓分別調(diào)至“2 V”“2.5 V”“3.0 V”“3.5 V”，重復(fù)步驟(2)、(3)．

圖7 定量探究同一電容器帶電荷量與電勢(shì)差的關(guān)系

4 教具的特點(diǎn)與創(chuàng)新

(1)本教具中元器件采用拔插式，可實(shí)現(xiàn)“一板多用”，通過(guò)更換不同元器件來(lái)演示多組實(shí)驗(yàn)．

(2)演示板背面粘有軟磁貼，可吸附于黑板上，教師操作方便且可視范圍廣．

(3)實(shí)驗(yàn)利用發(fā)光二極管的單向?qū)щ娞匦裕捎貌⒙?lián)發(fā)光二極管的方式來(lái)演示電容器充放電過(guò)程中電流流向，與理論講解相輔相成．

(4)實(shí)驗(yàn)中利用電子石英鐘低功耗(1.5 V，100 μA)的特點(diǎn)，用電容器放電時(shí)的電流即可驅(qū)動(dòng)電子時(shí)鐘，且充分利用電子時(shí)鐘的秒針跳動(dòng)來(lái)大致表征電荷量的多少，為減小誤差，實(shí)際操作中可串聯(lián)一個(gè)電阻來(lái)增加放電時(shí)間．