利用传感器研究电容器的充电和放电

孟丽丽

(安徽宿州第二中学 安徽 宿州 234000)

DISLab新型数字化实验系统是由“传感器+数据采集器+实验软件包+计算机”构成的．数字化实验系统是信息技术与传统实验课程整合的重要载体．基于传感器的计算机实时数据采集和基于计算机数据处理软件的计算机建模和图像分析等技术是开展现代化中学物理探究教学的两大技术支撑，也是中学物理实验面向现代化，提升实验档次，加速实现中学物理教学与国际接轨的一条途径．

物理实验中，空间上细微过程用肉眼难以观察，一般借助于显微镜以实现细致的观察．时间上细微过程难以捕捉，难以记录，是物理实验的难点，瞬间变化的可视化尤其是难点．电容器的充电和放电时间很短暂，利用传统器材不易观察到实验现象．我们利用数字化传感器对电容器的充电和放电进行研究.与传统器材相比，传感器可以高频率、高密度地对数据进行采集和传输，可以展现一个快速过程中物理量的变化．

知识目标

(1)观察电容器充电和放电时，电路中电流随时间的变化图像．

(2)观察电容器充电和放电时，电容器两端电压随时间的变化图像．

(3)作出电容器两端电压U与所带电荷量Q的关系图象，并利用图像求解电容器的电容．

实验器材

学生电源，电流传感器(-1 A～1 A)，电压传感器(-12 V～12 V)，电容器，变阻箱，单刀双掷开

关，郎威数据实验系统，数据采集器，计算机，导线.

实验电路图

图1

实验过程

(1)观察电容器的充电和放电时电流、电压随时间的变化图像.

打开数字化信息实验系统，对电压传感器和电流传感器调零，采集频率调为100 Hz，电源电压为4 V，显示方式设为“示波”．

对电容器充电和放电，传感器记录下如图2所示电流随时间、电压随时间的变化图像．

图2

先分析电流随时间的变化规律：

1)充电时和放电时的电流方向相反．

2)充电开始时和放电开始时，电流最大，随后逐渐减小．

3)充电和放电时，开始时图线的斜率最大，说明电流变化最快；然后斜率越来越小，说明电流变化变慢．

再分析电压随时间的变化规律：

1)充电时，电容器两极间电压逐渐增大，稳定时为电源电压．放电时两极间电压逐渐减小，直到为零，放电结束．

2)充电和放电开始时，图线的斜率最大，说明电压变化的快．随后斜率越来越小，说明电压变化变慢．

(2)作出电容器两端电压U与所带电荷量Q的关系图象像

我们利用学生电源改变电容器两端的电压，利用电流传感器记录电流随时间的变化图像可以得到电荷量，即用电流图线和时间轴所围的面积代表电荷量．

利用软件“建立表格”，添加一个变量——电荷量Q，(记录下0、0点)

在“组合曲线”中添加“电流-时间”图线：改变电压对电容器充电，记录如图3所示I-t图线．

有两种方法求解电荷量.第一种方法是数格子：记录I-t图线的背景有网络格，每个格子代表的电荷量可以通过横纵坐标获得，不足半格的舍掉，多余半格的算一格．第二种方法是利用软件中的“其他处理”对选定区域积分,得到电荷量,填入表格.(可以选充电时的电流-时间图线也可选放电时的电流-时间图线．)

图3

依次改变学生电源电压，利用积分得到不同电压下的电荷量．将所得数据填入表1中.

表1

图4

然后在“绘图”中设定电压——x轴，电荷量——y轴，得到如图4所示过原点的倾斜的直线．

结论

系统软件可以直接写出所画图线的方程y=

0.010 7x,图线的斜率代表电容．对一个电容器来讲，它的带电荷量和两极间电压成正比，说明电容为定值．

课后小结

本节课我们利用数字化传感器对电容器的充电和放电进行研究，使我们对电容器充电和放电过程中电压和电流随时间的变化有了直观的认识．以前学生对电容的定义式只能有抽象的理解，通过对电荷量的测量，作出电容器所带电荷量和电容器两极间电压的关系图像使我们对电容有了感性的定量的认识，对电容定义式有了进一步的理解．数字化实验室为学生的“定量化”研究提供了研究平台，有利于学生理解科学的本质．