对观察电容器充放电现象实验的探究

刘莉

摘 要：观察电容器充放电现象是新课标要求的学生实验，该现象是暂态过程，不易观察。本文通过对电容器充放電过程的分析，明确可观察的现象，就怎样实验才能观察到相关现象提出了可行的实验方法。

关键词：电容器；充放电；实验；方法

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）11-0006-2

观察电容器充放电现象是现行高中物理教材中的一个演示实验，新颁布的高中物理课程标准将其列为学生实验。电容器充放电是一个暂态过程，过程时间短，实验现象不易观察，是实验教学的一个难点。怎样才能做好这个实验？下面是笔者的一些思考和做法。

1 充放电过程分析

电容器充电是电容器储存电荷的过程。如图1所示的电路，开关S与1连接后，与电源正极相连的金属极板上的负电荷经电源向与电源负极相连的金属极板移动，电容器的带电量逐渐增加，极板间电压逐渐增大，充电电流逐渐减小。当电容器极板间电压增大到与电源电压相同时，充电完毕，电流减小到零，与电源正极相连的金属极板失去负电荷带正电，与电源负极相连的金属极板得到负电荷带等量负电。

电容器放电是电容器释放电荷的过程。充电后再把开关S与2 连接，负极板上的负电荷经过灯泡不断流向正极板与其上的正电荷中和，电容器的带电量逐渐减少，极板间电压逐渐减小，充电电流逐渐减小，直到电荷释放完，电压、电流减小到零。

从上面的分析可知，电容器在充放电过程中，随着带电量的变化，两板间的电压会变化，电路中的电流也会变化。实验时若能让学生观察到电压和电流的变化，并能通过观察到的电压和已知的电容器电容，由Q=CU判断其带电量的变化，不但可使学生对充放电过程有较好的理解，也可以提高学生观察短暂物理过程的能力。

2 实验方法探究

2.1 实验方法1

要在实验中观察到电容器充放电过程电流和电压的变化，可在图1电路中连接电流计和电压表。实验时笔者选用4700 μF电容器，0-3-15 V电压表，0-0.6 A-3 A电流表。按照图2 所示电路做实验，可以观察到电压表示数的明显变化，但过程时间只有近4 s，很难观察清楚电压、电流的变化。

2.2 实验方法2

根据电容器充放电过程的理论可知，串联一个阻值较大的电阻，增大电容器的电容，使电阻的阻值和电容器的电容的乘积增大，可增长充放电的时间。因此，可以通过选择电容较大的电容器和阻值较大的电阻串联做实验。

实验时，笔者选用学生电源电压直流9 V档、4700 μF电解电容器，30 kΩ定值电阻、0-3-15 V电压表和量程为300 μA的灵敏电流计，按照图3所示电路做实验。充电时间达到184 s，充电电流从280 μA逐渐减小到零，电容器两极板间电压从零逐渐达到稳定值3.2 V。充电开始快，逐渐减慢，直至充电结束。很容易观察到充放电时的电流和电压随时间的变化。

2.3 实验方法3

上面实验充电完后电容器两端的电压只有3.2 V，比电源电压9 V小得多。分析电路可知，充电完毕后，由于电容器有隔直的作用，这时的电路相当于电阻与电压表串联后再接在电源上，电容器两端的电压等于电压表两端的电压。由于电源内阻较小，相对串联的电阻和电压表的阻值可忽略不计。电压表15 V量程的内阻一般有十多千欧，而串联的电阻为30 kΩ，所以最后电压只有3.2 V。

电容器储存的电荷Q=CU，所以若要增加储存的电荷，需要增大充电完后电容器两端的电压。在图3电路结构不变和其他电路元件不变的条件下，只把电阻换成10 kΩ或20 kΩ的电阻做实验，电压可增大到4.0 V、5.6 V，但仍距电源9 V有较大差距，同时充电电流最大值超过电流计的量程。为解决这个问题，笔者选用数字万用表做实验，较好地解决了这个问题，充电近300 s电容器两端的电压可达到8.97 V。充电完后，把图3的开关S拨到2，电容器放电。电容器两端的电压从8.97 V逐渐减小到零；电流反方向流动，逐渐减小到零。

通过以上分析与探究，笔者认为，为使实验有较好的效果，实验时电容器宜尽量选择电容较大的电解电容，测电流和电压最好用数字万用表，外接电阻可选择10 kΩ～50 kΩ的定值电阻。

需要注意的是，实验时图3电路中的电流计不能接成图4的形式。若按照图4进行实验，充电完后，电流计不会减小为零，而是稳定在一固定值。这是因为充电完后电流计测的是通过电压表的电流，不会为零。

（栏目编辑 赵保钢）