恒流電源在電容定義教學(xué)中的應(yīng)用

楊杰

（南寧市第二中學(xué)，廣西 南寧 530029）

電容器是社會(huì)生活中極為常見的電子元件，在生活中發(fā)揮著重要用。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)很難讓學(xué)生對電容器的物理模型與工作機(jī)制有很深刻的認(rèn)識(shí)。本文介紹了一種可以進(jìn)行定量分析的演示教具，方便學(xué)生更好地接受電容定義的描述。

一、儀器電路圖

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1示，虛線框內(nèi)是由9V方電池、電位器R1、三極管、發(fā)光二極管、定值電阻R2 構(gòu)成的恒流電源電路，電容器是待測的，微電流傳感器用于監(jiān)測充電電流，電壓傳感器用于測量電容器的電壓，開關(guān)用于控制電容器充電。

圖1 儀器電路圖

（一）恒流電源電路分析

如圖，發(fā)光二極管D 導(dǎo)通時(shí)兩端電壓恒定，設(shè)導(dǎo)通電壓為VD，則

VB＝VCC-VD=VA-VD

三極管T 的BE 兩端電壓也恒定，設(shè)為VBE，則

VE＝VB+VBE ＝VCC－VD+VBE

流過R1 的電流為

又∵IR1=IE=IC+IB，IB

∴ IC≈IE=IR1

調(diào)節(jié)R1 可得到不同的恒定電流，R2 起限流作用，防止發(fā)光二極管燒毀。

（二）實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)原理是根據(jù)Q=It，只要測出充電電流的大小和充電的時(shí)間，即可得出電容器所帶的電量Q，再通過電壓表測量電容器充電后的電壓U，通過觀察Q 與U 的比值說明電容器所帶電量與電容器兩極間的電勢差成正比。本教具可以演示的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括電容器所帶的電荷量與電容器兩極間的電勢差成正比，其比值是一個(gè)常量。

二、教具制作方法

材料準(zhǔn)備：木板一塊，微電流傳感器，電壓傳感器，9V 電池一個(gè)，100kΩ 電位器一個(gè)，220Ω 電阻一個(gè)，綠光LED 一只，三極管一只（s9012）,電容器兩只，船形開關(guān)一只，香蕉插頭兩對，木盒一個(gè)。用軟件在電腦上畫好電路圖，然后用激光雕刻機(jī)將電路圖刻到木板上，做成教具的面板。將元件安裝到面板上的相應(yīng)位置，注意發(fā)光二極管的正負(fù)。用導(dǎo)線將各元件按照電路圖的連接關(guān)系連接起來，各個(gè)連接點(diǎn)也用用熱熔膠固定，以防松脫。裝上電池，接入待測電容器，測試充電電流是否可以調(diào)節(jié)，電容器電壓是否可以測量。測量完成后，將面板放入木盒中，完成安裝。

三、使用方法

流程：1.調(diào)節(jié)充電電流：將待測電容器接入電路板，閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)電位器R1，使充電電流達(dá)到100μA。2.電容器放電：開關(guān)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，將待測電容器兩極短路使其充分放電，然后再接入電路中。3.測量數(shù)據(jù)：接入電壓傳感器，設(shè)置電壓傳感器采樣時(shí)間為10 秒，即閉合開關(guān)后每10 秒鐘記錄一次電壓值。4.將測量的數(shù)據(jù)記錄到表格中。5.更換另一個(gè)電容器重復(fù)上述步驟，分析數(shù)據(jù)，總結(jié)結(jié)論。

四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

按照上述步驟，分別用電容為2200μF 和1000μF 的電容器，控制充電電流為100μA 做實(shí)驗(yàn)，得到數(shù)據(jù)如表1、表2。

表1 C=2200μF

表2 C=1000μF

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從數(shù)據(jù)可以看出：在誤差允許的范圍內(nèi)，電容器所帶的電荷量與電容器兩極間的電勢差成正比，其比值是一個(gè)常量。對于不同的電容器，這個(gè)比值不同。

六、總結(jié)

本實(shí)驗(yàn)可以引導(dǎo)學(xué)生對電容器進(jìn)行定量分析，通過實(shí)驗(yàn)直接得出電容器的電容量，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過程。本教具結(jié)構(gòu)簡單、取材容易、操作方便，采用電流和電壓傳感器，采集數(shù)據(jù)方便準(zhǔn)確，能讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)的方法學(xué)習(xí)電容的概念，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能和科學(xué)精神。