电容器充放电实验的改进

摘 要：本文分析了广东教育出版社物理选修3-1中电容器充放电演示实验设计方案的原理和一些不足，对原方案进行了改进，并针对改进后的实验方案进行分析、实践，把改进后实验方案和原方案进行对比，阐明方案的改进对于教学可以产生的促进作用。

关键词：电容器充放电；改进；课堂需求

物理作为一门自然科学，人类总是通过实验来探讨或验证相关的自然规律，如物质的组成、物体之间的相互作用等。理论源于实践，因此，物理规律的学习和探讨离不开亲身的实验。在中学阶段的物理教学中，实验内容的教学和探究尤其重要。首先，物理实验对物理理论教学起辅助的作用。心理学中提出，感觉记忆可以形成生动的短时记忆，增加趣味性。实验过程相当于感觉记忆的产生过程，学生通过观察演示实验，动手做分组实验等方式，加深对课堂理论知识的理解，加强了对实验内容的记忆。其次，物理实验是实践的过程，培养学生的动手能力和创新精神。短时记忆在不断地重复当中，可转化为长久记忆。学生在动手设计或操作实验的过程中，可以把课本所学运用到实践当中，这是一个不断思考和重复的过程，既是对所学知识的检验，加深理论印象，又能够培养学生的动手能力和创新精神，符合二十一世纪学生核心素养的要求。

作为物理实验员，在平时除了实验室管理和实验准备以外，也要熟悉物理教科书中的理论知识以及了解理论教学对实验的需求。课本中的实验设计，在理论上是行得通的。但在实际的教学当中，会由于器材的短缺、实验课堂的控制等原因，可能会以失败告终。因此，物理实验不应完全照搬教科书的设计，而是依据学校实际的实验资金、器材、教学内容和学生的实际情况来提出符合实际教学要求的合理改进及创新实验方案。

一、 电容充放电演示实验原设计及缺点

在广东教育出版社出版的普通高中课程标准实验教科书物理选修3-1中，第一章第七节了解电容器中，给出了一个电容器充放电的演示实验方案，原理图如图a。

该实验为演示实验，所需器材为电源、单刀双掷开关、小灯泡、导线、470μF电容。学生的学习目标为观察并能理解电容的充放电过程。

我们要求学生带着以下问题观察实验：

1. 当单刀双掷开关接到左端，电路中有电流吗？电流通过的时间多长？此过程中，电容带哪种电荷？

2. 当单刀双掷开关接到右端，电路中有电流吗？电流通过的时间多长？此过程结束后，电容的极板还有电荷吗？

这个实验的原理和操作都十分简单，可以说明电容在充放电的过程中电路有电流流过。但是，根据实际情况进行反思，发现这个实验设计存在以下问题：

1. 实验的首要目的是让学生能观察到电容充放电过程中是否有电流流过电路，电流通过时间的长短。该实验设计中，在电容充放电时灯L1亮，说明有电流流过电路，但L1亮的时间非常短，导致难以观察电流通过时间的长短和电流的变化情况。

2. 演示实验不仅要切合教材的内容，明确实验的目的，更重要的是实验效果要明显，对学生来说才更有说服力。如果是使用学生实验规格的电容如

470μF 甚至更小，灯L1亮度极小，难以观察，灯L1就起不到明显的显示作用。

3. 旧式单刀双掷开关和小灯等元件多次使用后寿命变短得较快，且单刀双掷开关多次使用后不动端会松，不稳定。

4. 作为演示实验，元件较小，不利于学生远距离观察，也没参与实验，印象不深刻。

二、 改进后的电容充放电实验原理和分析

根据以上提到的一些问题，我把该演示实验改成分组实验，可以给学生准备好一些常用的元件，包括电阻、拨码开关、发光二极管、电容、电池盒、

5号电池、万能实验板等，并且给出改进后的工作原理图，让学生根据原理图连接好电路，并且进行实验现象的观察，记录和分析。

如下图b所示为改进后的电路原理图。

此电路可以进行电容充放电演示的实验。该电路的充电电路由C1、C2、K1、R1及LED1组成，LED1用于显示充电电流的大小；其放电电路由K2、R2、LED2、C1和C2组成，发光二极管LED2用于显示放电电流的大小。

当闭合开关K1时，电路处于充电状态。电路中产生充电电流，流经K1、R1和LED1，给电容C1、C2充电。在开关K1闭合的瞬间，C1、C2没有电荷，电容两极板间的电压都是零，此时得到最大的充电电流，发光二极管LED1的亮度最强，随着充电电流的减弱，LED1的亮度也逐渐减弱，直至充电完成，LED1熄灭。

当LED1熄灭，表示电容C1、C2已充电完成。此时，断开开关K1，闭合开关K2，两电容开始通过K2、R2和LED2放电，点亮LED2，这表示电容在放电时电路中有电流流过。此时，电容C1、C2两极板间的电压随着储存的电荷的逐渐减少而降低，LED2的亮度也由最亮迅速变暗，直至电容两端电压为零时LED2熄灭，放电结束。

除了观察到上面的现象外，我们还需要观察电流通过的时间长短。电阻R1和R2在电路中作为限流电阻，通过更换电路中R1和R2，我们可以发现R1和R2越大，充放电过程中LED1和LED2点亮的时间越长；若在电路中再多并一个电容，那么充放电过程中LED1和LED2点亮的时间也会越长。由此我们可以推断，电流通过时间的长短和限流电阻以及电容容量大小都有关。

三、 改进后电容充放电实验的优点

此设计与上面提到的教科书上的方案设计对比有以下优点：

1. 把电容充放电的教师演示实验变成学生的分组实验，学生可以更清晰地观察实验现象。此外，也增强了实验的趣味性，学生在实验过程中亲自动手操作，体现了探究学习中学生的主体地位，他们对课本上理论知识的理解也会更深刻。

2. 改成分组实验所需要用的电子元件都是实验室常用的电子元件，容易购买，价格低廉。万能实验板的使用，可以给学生一点提示，利用它能做各种各样的电学实验和制作，这次实验一定程度上可以激发学生的学习兴趣。

3. 实验室中一般都是小容量的电容，电路中用了两个470μF的电容并联来提高电容的容量，延长试验时间，更利于觀察充放电过程。

4. 用发光二极管来代替小灯，解决了小灯因电容容量较小，灯的亮度不明显造成观察不到的问题，且发光二极管的寿命比小灯长。

5. 用拨码开关代替单刀双掷开关，能满足在万能实验板上即插即用的要求，所占空间小，且有封装安全、防水、耐高温等优点。

根据以上的分析，改进后的实验方案解决了原方案出现的一些问题，并且能让学生参与到实验中，能满足物理课堂的需求，并且可以提高学生的动手能力、求知欲望和学习热情，对物理教学能起一定的促进作用。

参考文献：

[1]理查德·格里格，菲利普·津巴多.心理学与生活[M].北京：人民邮电出版社，2003：196-223.

[2]吴雅.电容器充放电实验的改进[J].课堂内外，2002，第011版.

[3]姚利红.对电容器充放电演示实验的改进[J].实验改进，2009，第2期：26.

作者简介：陈冰，广东省广州市协和中学。endprint