利用倍分法设计和改进电容器实验

利用倍分法设计和改进电容器实验

李 明柴宏良

(衢州一中浙江 衢州324000)

收稿日期：(2014-07-16)

1教学中实验存在的问题

“电容器的电容”这节课的教学重点是定义电容器的电容和探究影响平行板电容器电容的因素.

研究影响平行板电容器电容的因素的实验中，教材提供了图1所示的实验方案.经过尝试，发现此实验方案在实际教学中存在4个方面的问题：

(1)物理量关系不直观.实验中用静电计两端的电压变化判断电容的变化，对于判断电容C与正对面积S，极板间距离d的定量关系不够直观.

(2)精度不高.实验中利用静电计指针的偏角大小判断电压大小比较粗略，实验误差较大.

(3)漏电的影响.平行板电容器所带电荷量不多，而且容易通过空气漏电，长时间操作时会影响实验的效果.

(4)操作性不佳，特别是定量改变极板间距离和正对面积时控制的难度较大.

图1教材中研究影响平行板电容器电容因素的实验方案

针对以上这些问题，对本课当中的两个实验进行了创新设计和改进，取得了极好的教学效果.

2创新实验的设计和改进

2.1探究电容器的电荷量和电压关系实验

探究电容器的电荷量和电压关系，需要测量电容器的带电荷量Q和电容器两端的电压U.

在测量电容器的电压时，又发现了一个难题.由于指针式电压表内阻不太大，电容器要通过电压表放电，使电荷量发生改变，而且放电中电压表读数快速减小，无法准确读数.通过不断尝试，发现利用数字式电压表测电容器的电压时，由于数字式电压表内阻很大，电容器几乎不放电，数值精确、稳定、易读.因此，本实验须采用数字式多用电表(电压挡)测量电容器两端的电压.实验装置如图2所示，两个电容器的规格都是“16V，3 300μF”，S1为单刀双掷开关.

图2　实验装置

某次实验中测得的数据如表1所示.

表1　实验数据

从上表数据很容易得出Q与U成正比的关系，在此实验结论的基础上，再用比值定义法定义电容就水到渠成了.

2.2探究影响平行板电容器电容因素的实验

鉴于教材上实验方案的不足，我们对该实验进行了改进，改进后的实验装置由两块表面粘贴着铝箔的塑料泡沫板(作为电容器的两极板)、多块同样规格的有机玻璃板和塑料泡沫板(充当绝缘介质)以及数字式万用表(利用其电容挡)组成.实验装置如图3所示.

图3　改进的实验装置

在实验测量中，将多用电表的两根表笔分别接触电容器的上下极板，即可测出其电容.研究极板距离对电容的影响时，只需在两极板之间增加有机玻璃板的块数，极板距离就会成倍地改变.研究极板的正对面积对电容的影响时，只需在不改变极板间有机玻璃数量的前提下将上极板向右平移，定量改变正对面积.研究绝缘介质对电容的影响时，只需用同样厚度的泡沫板代替有机玻璃板即可.实验操作简单、容易，现象直观.

上、下极板材料的选取对此实验成功与否至关重要.刚开始笔者选择两块白铁皮作为两平行金属板，由于白铁皮本身是弯曲的，即使对它进行敲打和用重物压都难以使它变得平整，实验结果误差较大.后来尝试用装修用的铝塑板，实验误差也很大.误差的主要原因是极板与绝缘板间存在较大的空隙.最后将铝箔粘贴在塑料泡沫板上作为电容器的两极板，实验时适当挤压就可将板间的空气排出，实验的精度很高.某次实验中测得的数据如下.

表2　研究极板间距对电容的影响

表3　研究极板的正对面积对电容的影响

3体会与反思

(2)数字式多用电表在中学实验中的运用.上述两个实验都用到了数字式多用电表.实验发现，数字式多用电表功能强大，并且其电压挡的内阻极大，能完成一些指针式多用电表不能完成的测量，而且读数方便、准确.

因此，进行实验创新和改进时可以多尝试利用新仪器、新器材，它可能使我们以往不能做的实验变成可能，以前比较难做的实验得到简化.

(3)创新实验可提高课堂教学的兴趣度和效率，培养学生的创新精神.两个实验的创新和改进，实验思想方法巧妙，实验操作简单，能非常有效地帮助教师进行本节课的教学，提高了课堂效率.在创新实验的设计和改进的过程中，学生能体会到创新的魅力，提高对物理实验的兴趣.

(4)存在问题.由于实验当中的电荷量无法测量其具体值，所以只能得到电荷量Q与电压U的正比关系，但不能得到Q与U比值的具体值.如果换一电容器，本实验不能反映Q与U的比值与电容器有关这一特征.

参 考 文 献

1人民教育出版社课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书(物理).北京：人民教育出版社，2011.5