用系列实验揭示电容器里的秘密
“电容器的电容”是高中物理中较为抽象的内容。教材首先直接介绍电容器的构成,然后通过充放电实验,用检流计显示短暂的充放电,从而得到电容器具有储存电荷的本领的结论。这个实验并没有对学生形成强烈的刺激。最困难的是电容概念的引入,一直没有好的定量实验,因此教材是这样处理的,“实验表明……”,接下来用盛水的容器进行比喻,这个比喻确实很不恰当,反而会造成思维困惑。最后是研究影响平行板电容器电容的因素,这个实验是成熟的,但是有很多细节要注意。我在教学实践中,通过一系列的实验,突破了学习的困难,达到了很好的教学效果。 秘密一:自制莱顿瓶揭示电容器的结构 自制莱顿瓶有很多方法。譬如用锡箔纸贴在饮料瓶的外面并在锡箔与瓶子间压一铜丝作引线,用两端弯曲成圆环的铜丝穿过瓶盖伸入瓶子里。这样就做好了。用高压电源给自制莱顿瓶充电,然后让学生用手接触莱顿瓶的引线。强烈的触电反应使学生对电容器容纳电荷的作用深信不疑。此时学生很想明白,普通的瓶子里藏着什么?将莱顿瓶分解开,发现了秘密:外面的锡箔和里面的铜丝,这正是电容器的两个极,中间的塑料是绝缘的。 秘密二:电容器的充电和放电 实验装置如图1:400V输出的“直流高压电源”,单刀双掷开关,“220V15W”的照明灯泡,“400V470/F”的电解电容。用不透明的纸盒将电容器罩住,请大家根据实验现象,猜测盒子里是什么。开关s接a,灯泡发出耀眼的亮光然后逐渐慢慢熄灭。学生纷纷议论,为什么?盒子里是什么?撤去高压电源,将s接b,意想不到的现象发生了,没有电源,灯泡却再次发出耀眼的亮光又慢慢变暗最后熄灭。由实验(1)的经验,学生都推理出来,里面应该是电容。拿掉盒子,揭开谜底,果然是一个大大的圆柱体形电容器。
本实验通过照明灯泡,延长了充放电时间(因为时间常数r=RC),比课本上用检流计的方法好得多。强烈的视觉冲击,实验现象非常明显。而且通过灯泡的亮度变化很容易分析电流的变化,学生自己可以画出i—t图像。为以后理解电容器在自感现象中的作用,电容器为什么能“通过”交流电打下基础。秘密三:电容器在直流电路中的作用 仍然用图1所示装置,充电完成后,若用导线将灯泡短路,会怎样?学生由以前的经验,短路是不允许的,因为电流将大大增加。可是实验的结果出乎意料,什么也没发生!为什么呢?促进学生的思考,并从理论上分析:充电完成,灯泡中无电流通过,说明灯泡两端电势相等,无电势差。从而理解了:在稳定的直流电路中,充电完成的电容器相当于断路,与其串联的电阻相当于导线。 秘密四:电容器的电容 导体的电容,严格的说是导体所带的电量与电势的比值。而中学阶段一般只能通过放电产生的电火花强弱、小灯泡的亮度等定性说明,不足以说明电量Q与电压u成正比。参考文献2的方法对此做了突破,我在此进行了简化,装置如图2。 主要原理是将电解电容充电后,经过石英钟放电,通过指针显示的放电时间的长短来半定量显示容纳的电荷量。 (1)演示对同一个电容器,电荷量与电压的关系。 将s掷a,用1.5V干电池对1O00F的电容器充电,然后将s掷b,记下放电时间t;然后用3.0V的电池,重复实验,记下放电时间t。,比较t。、t就会发现,对同一个电容器,电量与电压的比值不变。 (2)演示电压相同时,不同的电容,容纳的电荷量不同。 将s掷a,用1.5V的电池对2200F的电容器充电,再将s掷b,记下放电时间t,比较t和t。。就可以得出相同的电压,不同的电容,容纳的电荷量是不同的。 在(1)、(2)的基础上,引出电容的概念就是水到渠成的了。 秘密五:静电计为什么可以测出电势差 研究平行板电容器的电容与哪些因素有关时,课本提供的实验方案是成熟的,其中有很多细节可以参考。但是为什么静电计可以测量电势差?课本是通过附注的简单介绍予以说明。学生就认为它是验电器,学生难以理解。可以用简单的实验说明:直接将高压发生器的输出电压加在静电计上,通过改变加在静电计上的电压(用高压发生器直接读出),观察指针的张角,马上就看出,电压越大,指针张角越大。
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