定量探究电容器电容的创新设计

王志斌 王若茗

(1. 歙县中学,安徽 黄山 245200; 2. 河海大学环境学院,江苏 南京 210098)

1 常规探究电容器电容装置

1.1 教材中的实验装置

图1 教材实验装置

1.2 定量探究电容器电容装置制作存在的困难

2 探究电容器电容装置的设计与制作

2.1 实验器材

铝箔纸,包鲜花用PVC塑料纸,亚克力板,木工板(厚1.5cm),带螺帽螺栓(直径为1cm,长6cm)6只;数字多用电表(能测电容)1只;导线、接线柱若干．

2.2 实验装置制作的原理

(1) 如图2所示,用两张等大铝箔纸分别作为电容器的上下极板,中间夹一张PVC塑料纸(介电常数约为3.5,厚约为25μm)作为介质层,压紧使它们完全贴合在一起,就构成了一个电容器,铝箔纸的面积就是电容器极板的正对面积S0,作为介质层的PVC塑料纸的厚度d,就是电容器两极板间距d．

(2) 采用倍增累积法来改变与控制两极板间的距离．若在上、下铝箔纸间夹两层PVC塑料纸为介质层,压紧使它们贴合紧密,就构成了正对面积为S0,两极板间距为2d的电容器(如图3)．同理,在上下铝箔纸间夹3层PVC塑料纸为介质层,压紧使它们贴合紧密,就构成了正对面积为S0,两极板间距为3d的电容器(如图4)．

图2 (S0,d)图3 (S0,2d)图4 (S0,3d)

(3) 采用倍增累积法来改变与控制两极板的正对面积．n个正对面积为S0,极板间距为d的电容并联,就构成一个正对面积为nS0,极板间距为d的电容器,按此原理,制作电容器组．如图5所示,(a)中A1B1间由5个正对面积为S0,极板间距为d的电容器并联,构成一个正对面积为5S0,极板间距为d的电容器,同理可得(b)(10S0,d),将A1A2连接,B1B2连接．A1A2,B1B2间就构成一个正对面积为15S0,极板间距为d的电容器;保持正对面积为10S0,改变极板间距分别为2d、3d,分别构成电容器(c)(10S0,2d)、电容器(d)(10S0,3d)．

图5 电容

2.3 实验装置的制作

2.3.1 电容器的制作

步骤1:将两块木工板及两块亚克力板,按图6中尺寸制作,并在图示位置钻直径为1cm的小孔6个．

图6

步骤2:将铝箔纸大小均按图7(a)所示裁剪,只是突出部分位置不同,图7(a)形状裁剪10张,图7(b)、(c)、(d)形状各裁剪20张;PVC塑料纸裁剪(40cm×41cm)100张．

图7 电容器制作材料

图8 单元电容器

步骤3:在水平放置的木工板(1)上放上亚克力板(1),使6个小孔分别正对．在亚克力板上按层叠方式平铺裁剪后的铝箔纸与PVC塑料纸,按铝箔纸(下极板)→PVC塑料纸(介质层)→铝箔纸(上极板)→PVC塑料纸(绝缘层)顺序,这样就制成了一个单元电容器,如图8所示，共铺5个单元电容器即为图5中第1组(A1,B1),以此类推,可得第2组(A2,B2),第3组电容器铺设时在上下两极板层间夹两层PVC塑料纸为介质层,极板间距为2d,可得第3组(A3,B3),同理可制作出第4组(A4,B4)．

步骤4:将各组上下极板的突出部分,分别紧密叠合在一起,作为电容器极板的引线,即(A1,B1)、(A2,B2)、(A3,B3)、(A4,B4)．

图9 电容器俯视图

步骤5:在铺设完成的电容组上,平铺上亚克力板2,在亚克力板2上再放木工板2,使4块板的6个螺孔分别正对,如图9所示,木工板能将6个螺栓产生的压力均匀施加在亚克力板上,表面平整的亚克力板才能使极板层与介质层间均匀挤压、紧密贴合,尽可能多排出各层之间的空气,使得极板层之间的距离为d、2d和3d．这一步是制作的关健,笔者在制作过程中经历了多次失败,才找到这种组合挤压方案使装置制作成功．

2.3.2 叠层式电容器实验装置

如图10为自制的定量探究电容器电容的实验装置,在面板上嵌上数字万用表,即可进行实验操作或演示．

图10 实验装置

3 自制实验装置探究过程及定量测量的数据结果

3.1 保持电容器两板板间距离d相同,探究电容器电容C与正对面积S的关系

由图10内部结构等效图,介绍电容器组内部(A1,B1)及(A2,B2)之间的正对面积大小和极板间距大小,用数字多用电表的电容μF挡,直接测量(A1,B1)(A2,B2) 之间的电容;用两根带鳄鱼夹的导线,分别连接A1和A2,B1和B2,用数字多用电表的电容μF档,直接测量(A1A2,B1B2) 之间的电容值大小,数据及结论如表1．

表1 电容器电容大小与正对面积S的关系

3.2 保持电容器两极板正对面积相同,探究电容器电容与两极板间距d的关系

由图10内部结构等效图,介绍(A2,B2)、(A3,B3) 及(A4,B4)间的极板正对面积和极板间距大小,用数字多用电表的电容μF挡测量(A2,B2)、(A3,B3) 及(A4,B4)间电容大小,数据及结论如表2．

表2 电容器电容与两极板间距d的关系

该实验装置在教学中使用简洁方便,准确直观,能够满足高效课堂的教学需要．同时该实验装置还可用于探究电容器的串、并联等．

4 自制实验装置与常规实验装置的比较

常规实验装置与自制实验装置的比较如表3所示.

表3 常规实验装置与自制实验装置的比较

实验探究是物理学科核心素养的重要组成部分,成品化供应的教学仪器满足不了师生个性化教学的要求．自制实验装置成为实现教学创新的重要手段．本装置制作过程中,师生共同协作,结合所学电容器的相关知识,运用等效替代法、控制变量法、倍增累积法和均分法,用易得材料制作叠层式电容器组．学生经历了发现问题、提出方案、制作与改进装置及实验探究过程,完善了电容器知识的建构,锻炼了动手能力,培养了独立思考与创新能力,体会了成功的喜悦．教师在教学中对学生物理学科核心素养的培养也真正落到了实处．

参考文献：

1 赵力红. 新时期自制教具的特点及其发展趋势[J]. 物理教学, 2017(7):13-19.

2 施坚. 核心素养导向下的学生实践意识提升的案例分析与思考——以人教版3-1“电容器的电容”为例[J]. 物理教师, 2017, 38(10):9-14.

3 李颖. 优化实验教学资源发展学生科学思维——以“了解电容器为例”[J]. 中学物理教学参考, 2017(11):21-23.