多功能电容器演示仪的设计及运用

江立坤　刘世耀

摘 要：详细介绍了多功能电容器演示仪的制作背景、仪器的设计原理、功能以及具体的使用方法。并把该仪器运用于教学中，得到了广大师生的喜爱，取得了良好的教学效果。

关键词：多功能；电容器；演示仪；设计原理

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）10（S）-0064-2

1 多功能电容器性质演示仪的制作背景

高中物理教材中关于电容概念的构建是从“实验表明，一个电容器所带的电量与电容器两极板间电势差成正比”开始的。虽然这样也可以为电容的定义奠定理论基础。但是，没有形象直观的演示实验，没有直接的实验证据，不利于电容概念的形成。笔者查阅了其它资料，也没有发现相关的演示实验仪器。为了弥补不足，笔者经过认真分析和反复的实验验证，设计了一套多功能电容器演示仪（实物如图1所示）。

图1 电容器演示仪

2 仪器的设计原理以及功能介绍

多功能电容器性质演示仪有两个功能模块，分别为电容器模块和计时器模块。

电容器模块的设计原理：相同电容器并联时，电容器所带的电荷量相等。因此，可通过用相同电容器并联平分电量的方法把难以测定的电量依次等分。具体为四个相同电容器C1，C2，C3，C4并联，并用开关K1，K2，K3，K4控制。使用学生电源对电容器C1充电，充满后断开电源，电容器所带电量Q保持不变。通过电压传感器与计算机相连，记录电容器C1两端电压U的大小。依次闭合开关K2，K3，K4，则每个电容器中的电量依次为Q/2，Q/3，Q/4。再从计算机中观察到电容器两端电压U，得出电容器多组Q/U值，通过比较Q/U值，可以直观反映出电容器储存电荷的性质，为电容定义奠定基础。

计时器模块设计原理：通过电路控制，用5V电压对电容器进行恒流充电，利用芯片控制的数字电路测量电容器在同一电压充电过程所用的时间并用数码显示管显示出来。充电结束，计时器自动停止计时，此时，电容器所带电量Q与充电时间成正比。再换用不同电容器，可记录不同电容器充电时间。

比较不同电容器电荷量（充电时间）与电压的比值，加深学生对电容概念的理解。

3 用途以及使用方法

3.1 多功能电容器性质演示仪的用途

①在教学中演示电容器所带电量和两端电压的关系；②电容器在充、放电过程中的U-t、I-t图像；③演示不同容量电容器在同一电压充电过程中所用的时间。

3.2 多功能电容器性质演示仪的使用方法

3.2.1 电容器模块

（1）把电压传感器接在并联电路的两端，通过数据采集器与计算机相连，启动配套软件，选择“通用软件”功能。

（2）用教学电源的直流低压档（2～16V）接入电源输入端，将选择开关拔到“充电”，闭合开关K1，一段时间后断开电源，再依次闭合K2，K3，K4。此时，可在电脑显示器上看到电容器两端电压随时间变化。测试中使用不同电压充放电，以及使用不同电容器充放电，测试结果精确，现象明显易懂。图2为用四个2200μF的电容器经16V电压充电后的放电测试图像。

图2 放电测试图

（3）实验完成后，将选择开关拔到“放电”，电容器自行放电。此模块也可以用于观察单个电容器的充电、放电时的电流—时间和电压—时间图像。

3.2.2 计时器模块

（1）轻触计时器电源开关（已经内置电源），把待测电容接到电容器插口（正极在上，负极在下），按下开始按钮，计时器开始计时，充满后自动停止计时，数码管上显示此电容充电时间。

（2）按“复位”后可进行上述相同操作，测其它电容器充电时间。

4 创新点及改进点

4.1 多功能电容器性质演示仪创新点

采用相同电容器并联平分电量的原理，配合电压传感器测出电容两端电压，巧妙地解决了教学中电容器电量和电压关系难题。仪器借用带电压传感器的计算机，直观形象地展示了并联过程电容器两端的电压变化。对不同规格电容器，采用芯片控制的数字电路记录电容器放电时间，在用同一电压充电的前提下，得出电容器的电量电容比值关系。仪器简单易用、科学明了、设计合理，填补了该内容演示仪器的空白。

4.2 多功能电容器性质演示仪改进点

①本仪器两种功能都能定量反映电容器电压U、电量Q、电容C之间的关系。在设计数字电路时，为了使电容器充电时电流基本稳定，使Q、t呈现较明显的线性关系，使用了过于复杂的电路，如图3、4 所示，有待改进。

图3 电路图

图4 实物图

②在用数字计时器测定电容充电时间与电容关系实验中，使用数字芯片控制，低电平触发计时，高电平时停下计时。由于低电平不可能做到为零，所以实验存在一定的系统误差。

本仪器研发后，在2011年10月本市举办的教具制作比赛中取得优异成绩，受到评委和参会教师的好评。运用到《电容器》一节的教学中后，能让学生清楚地观察到电容器两端电压和电量之间的关系，对电容概念的定义有比较清楚的认识，对概念的理解会更加深刻，这大大激发了学生学习兴趣，提高了教学效率。

参考文献：

[1]吴勇.对“探究影响平行板电容器的因素”演示实验的探讨[J].物理教学探讨，2010，（2）：74.

[2]刘玉明等.平行板电容器充放电演示装置[J].物理教学探讨，2011，（4）：61.

（栏目编辑 邓 磊）

摘 要：详细介绍了多功能电容器演示仪的制作背景、仪器的设计原理、功能以及具体的使用方法。并把该仪器运用于教学中，得到了广大师生的喜爱，取得了良好的教学效果。

关键词：多功能；电容器；演示仪；设计原理

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）10（S）-0064-2

1 多功能电容器性质演示仪的制作背景

高中物理教材中关于电容概念的构建是从“实验表明，一个电容器所带的电量与电容器两极板间电势差成正比”开始的。虽然这样也可以为电容的定义奠定理论基础。但是，没有形象直观的演示实验，没有直接的实验证据，不利于电容概念的形成。笔者查阅了其它资料，也没有发现相关的演示实验仪器。为了弥补不足，笔者经过认真分析和反复的实验验证，设计了一套多功能电容器演示仪（实物如图1所示）。

图1 电容器演示仪

2 仪器的设计原理以及功能介绍

多功能电容器性质演示仪有两个功能模块，分别为电容器模块和计时器模块。

电容器模块的设计原理：相同电容器并联时，电容器所带的电荷量相等。因此，可通过用相同电容器并联平分电量的方法把难以测定的电量依次等分。具体为四个相同电容器C1，C2，C3，C4并联，并用开关K1，K2，K3，K4控制。使用学生电源对电容器C1充电，充满后断开电源，电容器所带电量Q保持不变。通过电压传感器与计算机相连，记录电容器C1两端电压U的大小。依次闭合开关K2，K3，K4，则每个电容器中的电量依次为Q/2，Q/3，Q/4。再从计算机中观察到电容器两端电压U，得出电容器多组Q/U值，通过比较Q/U值，可以直观反映出电容器储存电荷的性质，为电容定义奠定基础。

计时器模块设计原理：通过电路控制，用5V电压对电容器进行恒流充电，利用芯片控制的数字电路测量电容器在同一电压充电过程所用的时间并用数码显示管显示出来。充电结束，计时器自动停止计时，此时，电容器所带电量Q与充电时间成正比。再换用不同电容器，可记录不同电容器充电时间。

比较不同电容器电荷量（充电时间）与电压的比值，加深学生对电容概念的理解。

3 用途以及使用方法

3.1 多功能电容器性质演示仪的用途

①在教学中演示电容器所带电量和两端电压的关系；②电容器在充、放电过程中的U-t、I-t图像；③演示不同容量电容器在同一电压充电过程中所用的时间。

3.2 多功能电容器性质演示仪的使用方法

3.2.1 电容器模块

（1）把电压传感器接在并联电路的两端，通过数据采集器与计算机相连，启动配套软件，选择“通用软件”功能。

（2）用教学电源的直流低压档（2～16V）接入电源输入端，将选择开关拔到“充电”，闭合开关K1，一段时间后断开电源，再依次闭合K2，K3，K4。此时，可在电脑显示器上看到电容器两端电压随时间变化。测试中使用不同电压充放电，以及使用不同电容器充放电，测试结果精确，现象明显易懂。图2为用四个2200μF的电容器经16V电压充电后的放电测试图像。

图2 放电测试图

（3）实验完成后，将选择开关拔到“放电”，电容器自行放电。此模块也可以用于观察单个电容器的充电、放电时的电流—时间和电压—时间图像。

3.2.2 计时器模块

（1）轻触计时器电源开关（已经内置电源），把待测电容接到电容器插口（正极在上，负极在下），按下开始按钮，计时器开始计时，充满后自动停止计时，数码管上显示此电容充电时间。

（2）按“复位”后可进行上述相同操作，测其它电容器充电时间。

4 创新点及改进点

4.1 多功能电容器性质演示仪创新点

采用相同电容器并联平分电量的原理，配合电压传感器测出电容两端电压，巧妙地解决了教学中电容器电量和电压关系难题。仪器借用带电压传感器的计算机，直观形象地展示了并联过程电容器两端的电压变化。对不同规格电容器，采用芯片控制的数字电路记录电容器放电时间，在用同一电压充电的前提下，得出电容器的电量电容比值关系。仪器简单易用、科学明了、设计合理，填补了该内容演示仪器的空白。

4.2 多功能电容器性质演示仪改进点

①本仪器两种功能都能定量反映电容器电压U、电量Q、电容C之间的关系。在设计数字电路时，为了使电容器充电时电流基本稳定，使Q、t呈现较明显的线性关系，使用了过于复杂的电路，如图3、4 所示，有待改进。

图3 电路图

图4 实物图

②在用数字计时器测定电容充电时间与电容关系实验中，使用数字芯片控制，低电平触发计时，高电平时停下计时。由于低电平不可能做到为零，所以实验存在一定的系统误差。

本仪器研发后，在2011年10月本市举办的教具制作比赛中取得优异成绩，受到评委和参会教师的好评。运用到《电容器》一节的教学中后，能让学生清楚地观察到电容器两端电压和电量之间的关系，对电容概念的定义有比较清楚的认识，对概念的理解会更加深刻，这大大激发了学生学习兴趣，提高了教学效率。

参考文献：

[1]吴勇.对“探究影响平行板电容器的因素”演示实验的探讨[J].物理教学探讨，2010，（2）：74.

[2]刘玉明等.平行板电容器充放电演示装置[J].物理教学探讨，2011，（4）：61.

（栏目编辑 邓 磊）

摘 要：详细介绍了多功能电容器演示仪的制作背景、仪器的设计原理、功能以及具体的使用方法。并把该仪器运用于教学中，得到了广大师生的喜爱，取得了良好的教学效果。

关键词：多功能；电容器；演示仪；设计原理

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）10（S）-0064-2

1 多功能电容器性质演示仪的制作背景

高中物理教材中关于电容概念的构建是从“实验表明，一个电容器所带的电量与电容器两极板间电势差成正比”开始的。虽然这样也可以为电容的定义奠定理论基础。但是，没有形象直观的演示实验，没有直接的实验证据，不利于电容概念的形成。笔者查阅了其它资料，也没有发现相关的演示实验仪器。为了弥补不足，笔者经过认真分析和反复的实验验证，设计了一套多功能电容器演示仪（实物如图1所示）。

图1 电容器演示仪

2 仪器的设计原理以及功能介绍

多功能电容器性质演示仪有两个功能模块，分别为电容器模块和计时器模块。

电容器模块的设计原理：相同电容器并联时，电容器所带的电荷量相等。因此，可通过用相同电容器并联平分电量的方法把难以测定的电量依次等分。具体为四个相同电容器C1，C2，C3，C4并联，并用开关K1，K2，K3，K4控制。使用学生电源对电容器C1充电，充满后断开电源，电容器所带电量Q保持不变。通过电压传感器与计算机相连，记录电容器C1两端电压U的大小。依次闭合开关K2，K3，K4，则每个电容器中的电量依次为Q/2，Q/3，Q/4。再从计算机中观察到电容器两端电压U，得出电容器多组Q/U值，通过比较Q/U值，可以直观反映出电容器储存电荷的性质，为电容定义奠定基础。

计时器模块设计原理：通过电路控制，用5V电压对电容器进行恒流充电，利用芯片控制的数字电路测量电容器在同一电压充电过程所用的时间并用数码显示管显示出来。充电结束，计时器自动停止计时，此时，电容器所带电量Q与充电时间成正比。再换用不同电容器，可记录不同电容器充电时间。

比较不同电容器电荷量（充电时间）与电压的比值，加深学生对电容概念的理解。

3 用途以及使用方法

3.1 多功能电容器性质演示仪的用途

①在教学中演示电容器所带电量和两端电压的关系；②电容器在充、放电过程中的U-t、I-t图像；③演示不同容量电容器在同一电压充电过程中所用的时间。

3.2 多功能电容器性质演示仪的使用方法

3.2.1 电容器模块

（1）把电压传感器接在并联电路的两端，通过数据采集器与计算机相连，启动配套软件，选择“通用软件”功能。

（2）用教学电源的直流低压档（2～16V）接入电源输入端，将选择开关拔到“充电”，闭合开关K1，一段时间后断开电源，再依次闭合K2，K3，K4。此时，可在电脑显示器上看到电容器两端电压随时间变化。测试中使用不同电压充放电，以及使用不同电容器充放电，测试结果精确，现象明显易懂。图2为用四个2200μF的电容器经16V电压充电后的放电测试图像。

图2 放电测试图

（3）实验完成后，将选择开关拔到“放电”，电容器自行放电。此模块也可以用于观察单个电容器的充电、放电时的电流—时间和电压—时间图像。

3.2.2 计时器模块

（1）轻触计时器电源开关（已经内置电源），把待测电容接到电容器插口（正极在上，负极在下），按下开始按钮，计时器开始计时，充满后自动停止计时，数码管上显示此电容充电时间。

（2）按“复位”后可进行上述相同操作，测其它电容器充电时间。

4 创新点及改进点

4.1 多功能电容器性质演示仪创新点

采用相同电容器并联平分电量的原理，配合电压传感器测出电容两端电压，巧妙地解决了教学中电容器电量和电压关系难题。仪器借用带电压传感器的计算机，直观形象地展示了并联过程电容器两端的电压变化。对不同规格电容器，采用芯片控制的数字电路记录电容器放电时间，在用同一电压充电的前提下，得出电容器的电量电容比值关系。仪器简单易用、科学明了、设计合理，填补了该内容演示仪器的空白。

4.2 多功能电容器性质演示仪改进点

①本仪器两种功能都能定量反映电容器电压U、电量Q、电容C之间的关系。在设计数字电路时，为了使电容器充电时电流基本稳定，使Q、t呈现较明显的线性关系，使用了过于复杂的电路，如图3、4 所示，有待改进。

图3 电路图

图4 实物图

②在用数字计时器测定电容充电时间与电容关系实验中，使用数字芯片控制，低电平触发计时，高电平时停下计时。由于低电平不可能做到为零，所以实验存在一定的系统误差。

本仪器研发后，在2011年10月本市举办的教具制作比赛中取得优异成绩，受到评委和参会教师的好评。运用到《电容器》一节的教学中后，能让学生清楚地观察到电容器两端电压和电量之间的关系，对电容概念的定义有比较清楚的认识，对概念的理解会更加深刻，这大大激发了学生学习兴趣，提高了教学效率。

参考文献：

[1]吴勇.对“探究影响平行板电容器的因素”演示实验的探讨[J].物理教学探讨，2010，（2）：74.

[2]刘玉明等.平行板电容器充放电演示装置[J].物理教学探讨，2011，（4）：61.

（栏目编辑 邓 磊）