引入生活情景 加深概念理解
——以“電容器的應用”教學為例

馬俊杰

(江蘇省丹陽市教師發展中心，江蘇 鎮江 212300)

新一輪的高考改革全面對標“一核四層四翼”的高考評價體系，這一評價模式的轉變必須要通過情景來實現。電容器的常規教學都是以理論及計算為主，學生學起來感覺很枯燥。如果我們在教學中引入電容器特性的生活應用情景，就能培養學生發現問題、解決問題的能力，加深學生對概念的理解。

1 電容器充、放電特性的實際應用

在現實生活中，當我們關掉電視機的電源開關后，前面的指示燈會亮一會兒才熄滅。一些帶電源指示的電器也是如此，這是因為電器中的電容器存儲了電能，在關掉電源后釋放形成的。當然這個電容器原本是用作濾波的，如果廠家為了節約成本，使用了較小的電容來濾波，便會造成一些交流干擾，如在耳機或喇叭中聽到嗡嗡聲。如我們加大了濾波電容器的電容，這種情況一般可以得到改善。濾波電容器的電容越大，輸出的電壓波性越接近于直流，而且大電容器的儲能作用，能在較強的電信號到來時，電路中有足夠的能量轉換為音頻信號輸出。此時大電容器的作用有點像水庫，使原來洶涌的水流能平滑地流出，并可以保證下游有大量用水需求時的供應。此時電容器起的是濾波作用，稱之為電源濾波電容器，這里是利用了電容器的充、放電特性(圖1)。

(a)

電容器濾波過程如下：

在0～t1期間，電壓U2為正(A端為正、B端為負)，且逐漸增大，波形如圖1(b)所示，D1、D3導通，輸出的電流一方面流過負載RL，另一方面對電容C充電，電容C上的電壓為正，在t1時刻充得的電壓UL2最高。

在t1～t2期間，U2電壓為正，但逐漸下降，電容C上的電壓高于U2電壓，D1、D3截止，電容C開始對RL放電，RL仍有電流流過。

在t2～t3期間，U2電壓變為負值，且逐漸增大，但電容C上的電壓仍高于電壓U2，D2、D4截止，電容器C繼續對RL放電。

在t3～t4期間，電壓U2為負，且繼續增大，U2大于電容C上的電壓時，D2、D4導通，通過D2、D4輸出的電流流過負載RL，并對電容C充電，電容C上的電壓升高。

在t4～t5期間，電壓U2的仍為負值，但逐漸減小，當電容C上的電壓高于U2時，D2、D4截止，電容C又對RL放電。

在t5～t6期間，電壓U2變為正值，且逐漸增大，但電容C上的電壓仍高于U2，D1、D3截止，電容C繼續對RL放電。

此后，電路會重復上述過程，從而在負載RL兩端(也是電容器C兩端)得到如圖1(b)所示的UL2電壓。如在電路中去掉電容C，負載上得到的電壓為UL1。比較圖1(b)中的UL1和UL2電壓波形不難發現，增加了濾波電容后在負載上的電壓波動較無濾波電容器時要小得多。

電容使整流電路輸出電壓波動變小的功能稱為濾波。電容濾波器的功能是在輸入電壓較高時通過對電容器充電將電能存儲起來，而在輸入電壓較低時通過電容放電將電能釋放出來，從而保證負載得到波動較小的直流電壓。

電容器能使整流輸出電壓波動變小，電容器的電容越大，其兩端的電壓波動越小，濾波效果越好。

有人以為電容器的濾波作用是濾除了交流成份，保留了直流成份。其實交流電已通過二極管的整流轉化為脈動直流電。電容濾波器的作用是利用它的充、放電特性，使脈動直流電的電壓波動變小。當然交流電能中的一些高頻干擾信號會通過整流二極管的極間電容器串入濾波電路中，此時的高頻干擾信號能通過電容器濾除掉。

2 電容器隔直、通交特性的實際應用

平常我們在喇叭中能聽到悅耳的聲音，這與使用的放大電路有關。其中有一種稱之為OTL功放的電路，它在放大電路與喇叭之間串有一只容量較大的電容器C4，一般在2200 μF左右。此電容能通過喇叭播放聲音的交流信號，而隔離了放大電路中晶體管工作時所需的直流電。在這里就是利用了電容器的隔直、通交特性(圖2)。

圖2

電器上的觸摸開關，手機觸摸屏等也是利用電容器的通交特性來工作的，人的手指與屏幕下層導體形成小電容，能使高頻信號通過。

3 電容器移相特性的實際應用

單相交流電動機的主副繞組間會串聯一只電容器，直接串聯的稱之為運行電容器，還有通過離心開關串接的稱為啟動電容器，兩者之間電容值差別較大，運行電容器的電容小，啟動電容器的電容大。一般功率較小的單相交流電動機只有運行電容器，如電風扇、單相小水泵、洗衣機中的電動機等。而木工電鋸、電刨上用的單相交流電動機則通過離心開關串接一只啟動電容器，有時根據需要，在同一電動機上會同時存在兩種電容器。這里利用的是電容器的移相特性，單相交流電經過電容器流過副繞組，通過副繞組上的電壓就會滯后主繞組上的電壓，這樣二相交流電就能在電動機的定子中產生旋轉磁場，使單相交流電動機轉子中的每個鼠籠條中產生感生電流，此電流又在旋轉磁場中受到磁場力的作用使轉子旋轉起來(圖3)。

圖3

4 電容器的其他應用

在電力系統中，電容器可作補償用，并聯在感性負荷的兩端，達到提高功率因素、減少線路損耗、提高變壓器效率的目的。

作儲能元件使用也是電容器的一個重要功能，與電池等儲能器件相比，電容器可以瞬時充放電，并且充放電電流基本上不受限制，可以為熔焊機、閃光燈等設備提供大功率的瞬時脈沖電流。

在日光燈啟輝器中并聯了一只電容較小的電容器，它的作用是防止日光燈啟動時產生的高次諧波干擾其他用電設備。在電源開關觸頭的兩端有時也會并聯一只電容器，其作用是減小開關在斷開時的電火花對觸頭的燒蝕，延長開關的使用壽命。開關電源中有削尖峰的電容器，定時電路中有定時電容器等。

上面談了電容器的許多實際應用，通過這些實際情景的應用，學生了解了電路不同的情景，可更好地理解電容器的不同特性，培養了學生在實際情景中解決問題的能力。