以实验为基础 提高课堂教学的有效性

李红伟 刘明忠

物理学是一门以实验为基础的自然学科，所有物理概念、规律的发现和确立，都是在实验的基础上建立起来的，物理实验对物理学的发展和物理教学都起到极其重要的作用.在物理课堂教学设计中，如果能够巧妙地创设系列物理课堂实验，不但能帮助学生深刻理解物理规律的本质，激发学生学习的兴趣，而且能转变以往被动的知识灌输模式，让学生走向积极的、主动的自主性学习，实现课堂教学的有效性.下面以高中人教版选修3-1第一章第8节《电容器的电容》为例，说明如何以实验为基础，实现提高课堂教学有效性的教学设计.

电容器是一种重要的电学元件，在实际生活中有着广泛的应用；学习电容器内容之前学生已经学习了电荷量、电场强度、电势差等物理量，这节的内容既是对以上知识的综合应用，也是物理在实际生活中的体现，同时也为后面学习带电粒子在匀强电场的运动、电磁振荡等内容打下基础，因此起到承上启下的作用.电容概念的建立、决定平行板电容器电容大小的因素是本节的教学重点，电容概念的理解及电容器的充放电过程是本节的教学难点.

课堂教学设计流程：引入课题，探究电容器储存电荷的特性→探究电容器的充放电过程→通过实验探究得出电容定义式→探究决定平行板电容器电容大小的因素→常见电容器、结束新课

【教学片段一】 引入课题，探究电容器储存电荷的特性

实验设计1：探究电容器储存电荷的特性

实验仪器：起电机（图1）、金属圆盘（2个）、节能灯、轻小物体、细绳、导线若干.

实验原理：两个相距1-2cm的金属圆盘为两个极板，空气作为电介质，则组成了最简单的电容器（图2）.利用起电机使极板带电，两极板中间悬挂的轻小物体被吸引偏转，说明金属圆盘极板带电；把两圆盘与节能灯连接，节能灯闪亮一下，同样说明电容器具有储存电荷的特性.

评析 用简单的两个金属圆盘做成电容器，让学生认识到电容器的结构是如此简单，电容器的制作原来如此容易.用轻小物体来检测电容器是否带电（带电体能吸引轻小物体），是实验的一个亮点；为了进一步证实电容器已储存电荷，通过节能灯使灯闪亮了一下，更吸引了学生注意力，激发了学生的求知欲.这个实验设计充分考虑到了学生认识发展水平，体现了创新意识及创新思维，彰显了“从生活走向科学，从科学走向生活”的现代教育思想.

【教学片段二】 探究电容器的充放电过程

实验设计2：探究电容器充放电电流方向及大小变化情况

实验仪器：发光二极管（2个）、电源、电容器、单刀双掷开关、导线若干.

实验原理：如图3，把单刀双掷开关拨开向1，发光二极管a变亮然后逐渐变暗，反映电容器充电电流方向及充电电流大小逐渐减小；把单刀双掷开关拨向2，发光二极管b变亮然后逐渐变暗，反映电容器放电电流方向及放电电流大小逐渐减小.

评析 电容器的充放电过程是电容器工作的主要形式，也是学生了解电容器的一个载体.教材对电容器的充放电过程叙述比较简单，加上内容抽象，电荷的微观运动无法演示，学生接受起来显得非常困难，而这部分内容又是后面学习电磁振荡的基础.为解决这个问题，实验设计通过两个发光二极管，让学生直观地感受到电容器充放电电流的方向及电流大小变化情况，使学生对电容器的认识更加具体，更加丰富，也为后面的教学铺平了道路.

【教学片段三】 通过实验探究得出电容定义式

实验设计3：探究电容器储存电荷量与电势差关系

实验仪器：数字万用表、电源、完全相同的电容器5个、单刀双掷开关（3个）、单刀单掷开关、导线若干.

实验原理：如图4，开始所有开关处于断开状态.①先闭合S，电源对C1充电；②断开S，单刀双掷开关S1接1，类比库仑扭称实验的电量二分法，两个完全相同的电容器直接接触，电量也将平分，由此C1、C2所带电量应该均为Q/2；③S1接2，S2接3，C2、C3所带电量应该均为Q/4；④S2接4，S3接5，C3、C4所带电量应该均为Q/8；⑤S3接6，C4、C5所带电量应该均为Q/16；⑥用数字万用表直接电测出容器C1、C2、C3、C4两极电压，分析得出Q与U的比值为一个常数.

C1C2C3C4

电量Q/2Q/4Q/8Q/16

电容U/2U/4U/8U/16

评析 得出电容定义式的是本节的重点，也是难点.以往教学设计大多是类比柱形水容器的方法告诉学生电容器所带电量Q与电压U成正比；或者通过放电产生火花强弱，小灯泡的亮度情况等来定性说明电容器储存电荷量的多少，不足以说明电量Q与电压U成正比.本实验设计巧妙地利用电量二分法使电容器电量这个很难测量的物理量问题得到解决，实验操作简单易行，科学严谨，效果明显，学生容易理解，充分达到了突破教学重点、难点的作用.

实验设计4：探究不同电容器的电容大小

实验仪器：干电池、不同型号电解电容器3个、石英钟、单刀双掷开关、单刀单掷开关3个、导线若干.

实验原理：如图5，用两节干电池同时对3个不同型号的电解电容器充电后，然后分别通过石英钟放电，石英钟指针转动的格数半定量地反映了电容器储存电荷量的多少.分析实验结果得出，不同电容器，电压相同，指针转动的格数一般不同，储存电荷的本领一般不同.

电容器（uF）1000500250

指针转动的格数421

评析 实验设计运用控制变量法，对不同电容器在相同电压，储存电荷量的多少进行半定量探究，得出不同电容器电容一般不同的结论，使电容这一抽象概念变得直观、具体，学生易于理解和接受，学生的抽象思维能力和创新能力也得到了培养和提高.

【教学片段四】 探究决定平行板电容器电容大小的因素

实验设计5：探究平行板电容器的电容大小决定因素.

实验仪器：平行板电容器（图7）、数字电容表（图6）、陶瓷片、玻璃板.

实验原理：直接用数字电容表测量平行板金属板组成的电容器电容.当两板距离减小，电容表测出电容器的电容变大；当两板正对面积减小，电容表测出电容器的电容变小；在两之间插入介质，电容表测出电容器的电容变大.

S不变d变化d不变S变化插入电介质

dd/2d/4SS/2S/4陶瓷片玻璃板

C2C4CCC/2C/4C变大C变大

结论：C与d成反比结论：C与S成正比结论：C与介质有关

评析 影响平行板电容器电容大小的因素是本节教学内容的又一重点.课本给出的演示实验是间接推导电容与各种因素的关系，这个实验不直观，推导能力要求较强，难于让学生形成深刻的印象，不符合高中学生的认识水平与逻辑发展水平；同时这个演示实验所花时间较长，容易受天气等因素影响导致实验不成功；且只能定性得出结论.而本实验设计应用新仪器数字电容表直接测量行板电容器电容，对电容大小决定因素进行定量研究，不受天气影响，操作简单，现象明显，学生容易接受理解.

【教学片段五】 常见电容器，结束新课

实验设计6：测量人体电容器电容大小

实验仪器：数字电容表、导线若干.

实验原理：如图8，20位同学手拉手分成两排组成一个人体电容器，用数字电容表可直接测量出人体电容器的电容大小.增大两排学生间的距离，数字电容表测量出的电容变小；减小两排学生间的距离，数字电容表测量出的电容变大.减少两排学生人数，测得的电容变小.

评析 本实验设计通过两排学生间距的变化，人数的变化，加深了对平行板电容器的电容大小决定因素的理解；通过测量人体电容器电容，让学生感受电容器电容存在的普遍性，激发了学生学习兴趣，课堂教学在结束时达到高潮，学生课后回味无穷.关注生活，从生活中挖掘物理教学素材，并以实验的形式呈现给学生，让学生感受到物理是有用的，学习物理是有现实意义的.

诺贝尔物理学奖获得者丁肇中对实验的重要性有过精辟的描述：“所有的自然科学都是实验科学.再好的理论如果与实验不相符，那么理论就不存在.实验可以推翻理论，而理论永远无法推翻实验.因此实验对于自然科学来讲非常重要.”在物理教学中，教师都要明白这个道理：物理实验是物理学的基础，要上好物理课，就要设计好课堂实验，针对学生的疑难、困惑，想方设法构思实验展示的方式，还物理学科的本来面目，从而达到提高课堂教学有效性的目的.