电容器充放电现象与关系实验的定量研究

邬夏波

(舟山市岱山中学,浙江舟山 316200)

人教版普通高中物理选修3-1教材的第1章第8节的教学内容是电容器的电容.电容器的充放电实验现象和电容器所带的电荷量 Q与电容器两极板电势差U的关系,这两个实验用传统的实验教具无法演示,其主要原因在于电容器的容量小,充放电时间太短,现象稍纵即逝,在指针式的演示电表中观察不到电流和电压的变化,实验效果不明显.而对于电容器的定量研究,要解决电容器所带电荷量 Q定量测量的问题.因此在课堂教学的过程中,对于充放电的实验现象和电容定义式的得出只能通过抽象的理论分析,这不符合学生的认知规律,也不利于学生知识的掌握.

数字化传感器为实验的定量研究提供了测量的可能,利用电流(电压)传感器可以观察电容器在充放电过程中的电流(电压)随时间的变化.本实验中改变电容器两端的电压不采用滑动变阻器的分压式而是通过改变电源的电压,即利用改变干电池的节数的方法来实现.为了配合电流传感器,加强实验的演示效果,实验中选用充放电时间短,充放电电流大,容量为0.1 F和0.47 F的超级电解电容器.按照充放电电路的要求,自制好演示用的充放电电路板(图1),利用单刀双掷开关的作用,实现电容器的充放电.

1 观察电容器的充放电现象

1.1 实验过程

(1)在演示用的电路板位置1插上0.47 F的电容器,两端并联电压传感器,在位置2串联接入电流传感器,并将传感器与朗威数据采集器连接,取下图1中2节干电池,用带有鳄鱼夹的导线连接电池座两端,利用1节干电池作为充电电压.

(2)打开朗威教材通用软件,点击组合图线功能,添加“I-t”和“U-t”两条图线,同时记录下电流和电压随时间的变化规律.

(3)点击“开始”.将单刀双掷开关拨到下面,对电容器充电,充电结束后再将开关拨到上面,电容器开始放电,得到图线(图2).

图2

1.2 实验结果

(1)电容器充电过程中,电流立刻增大,然后逐渐减小到零;电容器极板电压逐渐增大,充电结束后电压稳定为电源电压.

(2)电容器放电过程中,电流立刻增大,然后逐渐减小到零;电容器极板电压逐渐减小,放电结束后电压减小到零.

2 定量研究C=Q关系U

2.1 实验过程

(1)在电路板位置1插上0.47 F的电容器,两端并联电压传感器测充电结束后电容器两端的电压值 U可直接读出,在位置2串联接入电流传感器实时测量充放电过程中电流的变化规律,将传感器与朗威数据采集器连接.

(2)打开教材通用软件,点击组合图线功能,添加“I-t”图线.分别利用1节干电池、2节干电池、3节干电池作为电源电压,取下电池后用带有鳄鱼夹的导线连接电池座两端.

图3

(3)点击“开始”.控制单刀双掷开关对电容器进行充放电,结束后得到图线(图3).利用选择工具,选择充电区域,利用数据处理系统“其他处理”按钮中的“积分”功能,得到图线与时间轴所围“面积”(图3),该面积即为电容器充电结束时的带电荷量 Q1.用相同方法选择放电区域,得到放电电荷量 Q2.图3显示的是电源为3节干电池下获得电容器充放电图线,显示的积分值为充电时图线所围的“面积”.

(4)在位置1换用另一0.1 F的电容器,重复上述实验过程.实验中把测得的数据记录下来,得到表1、表2.

表1

表2

2.2 实验结果

(1)电解电容器C的标称值与实际的C值有一定的差距,一般的电解电容允许有±20%的误差.

(2)电容器在充放电过程中,充电电荷量Q1略大于放电电荷量 Q2,原因可能是电容器在放电过程中存在漏电.从数据上分析,此种电容器的漏电电流非常小,当充电电压越高,其漏电电量也越大.

(3)同一电容器充电电量Q1与充电电压 U的比值不变,即为电容器的电容C.

(4)相同电压下,电容器的电容C越大,其带电荷量也就越多.至此通过定量的测量,充分说明了电容器的电容C为电容器储存电荷本领的物理量.

3 实验的分析与思考

利用数字化实验系统解决了传统实验教学过程中电容测量的这一难题,也为解决此类问题提供了思路,拓展了高中物理实验创新的新途径.把数字化实验系统用于课堂实验教学,提高了物理实验效果和课堂教学效率,体现了物理教学的时代特征.利用数字化实验系统进行教学,使学生体验了科学实验的真实情景,增强了学生探究科学问题的好奇心和动力,有利于物理实验情感的培养和学生知识面的拓展. (收稿日期:2010-01-18)