电容器充放电演示仪的创新设计及实验演示

刘利澜

(广州市玉岩中学 广东 广州 510700)

李德安

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

演示实验是物理教学的重要组成部分，将抽象化的知识或概念具体化为直观清晰的实验现象，不仅能加深学生对物理知识的理解，还能培养学生知识迁移的能力和创造性思维.近年来，自制创新教具因其取材方便、现象明显、教学效果良好等而逐渐被用于课堂教学中[1,2].

“电容器的电容”是高中物理的一个重要教学内容，但电容器进行充放电的过程抽象，不易被学生理解，因此有必要将电容器充放电过程具体化.针对“电容器的电容”教学现状，创新地设计了电容器充放电演示仪，该教具是集电、光、磁于一体的多功能演示仪，通过演示不同的实验现象促进学生对电容概念的理解，激发学生的好奇心，优化课堂教学.

1 教具的设计与改进

1.1 优化教材原型实验

在高中物理教材人教版选修3-1中介绍的演示实验，采用灵敏电流计偏转情况显示电容器充放电过程(如图1所示)[3].

图1 教材中电容器充放电电路图

在实践中发现，该方案存在两方面的问题：一是灵敏电流计量程较小，导致充放电现象可见度不高且稍纵即逝，还易造成仪器的损坏.二是该方案中单一地用灵敏电流计来表示充电与放电过程，易让学生误以为电容器储存的电荷只能输出成电能，实际上，电容器放电时释放出的电能，还能被转化为其他形式的能量加以利用.笔者认为该实验演示较为片面，过程缺乏探究性.

针对教材实验存在的不足，设计了多功能电容器充放电演示仪，如图2所示.

图2 改进电路图

具体改进如下：

(1)利用小灯泡的亮暗演示充电过程.

(2)用单向导通的发光二极管检测充放电的电流方向.

(3)利用耗电少的石英钟记录放电时间.

(4)利用电磁炮演示电容器释放的电能可转换成其他形式的能量.

1.2 制作材料

3种不同规格的电解电容(分别是“1 000 μF,25 V”“2 200 μF,25 V”“3 300 μF,25 V”)各1只；学生电源(12 V)；单刀双掷开关1只；单刀开关 4 只；电位器(10 kΩ)1个；小灯泡(2.5 V,0.3 A)1个；电阻(50 Ω)一个；石英钟(3 V)1个；KT板1块；发光二极管若干,线圈、木板、磁铁钉、导线等.(说明：以上器材参数是笔者尝试后认为有明显实验现象而确定的，研究者可自行调整)

1.3 实验装置的制作

(1)按图2所示的电路图组装“电容器充放电演示仪”装置，如图3所示.

图3 教具装置图

(2)搭建框架

利用一块长木板作为装置的底座，将KT板放置在木板底座上作为放置元器件的平台，并用4根木条固定整个框架.

(3)电路设计

在干路上串联一个R0作为保护电阻保护电路，将3种不同容量的电容器并联到电路中，对比不同容量电容器储电能力.将10 kΩ电位器和发光二极管以及石英钟串联起来并入电路中，电位器可调节电路电阻，调节电容器放电时间.利用发光二极管(将红色发光二极管焊接成桃心形状，使现象更明显、有趣)的特性能展示电流的大小和方向，石英钟具有能记录时间且损耗电能较少的特点，该仪器的引入可增加实验现象的可见度和直观性.

(4)制作电磁炮

将多匝线圈绕在PVC管上，并在管内放一个磁铁钉，电磁铁装置并联接入电路中.给电磁铁通电后，铁钉会从电磁铁中发射出来，观察铁钉发射后飞出的方向和距离，可判断电流的方向和大小.电磁炮的引入可增加教具的趣味性和实践意义.

2 电容器充放电演示仪的演示

2.1 使用方法

(1)根据实验需要选择电路

根据需要演示的实验过程，通过开关闭合或断开选择演示仪的相应电路.

(2)电容器充电过程

接通电源，将单刀双掷开关S1拨到1端，闭合电容器上端的开关(可任意选取S2,S3，S4)，电容器开始充电，小灯泡先闪亮后熄灭表示充电完成.

(3)电容器放电过程

在步骤(2)的基础上将单刀双掷开关S1拨到2端，闭合发光二极管上端开关S5，电容器开始放电，发光二极管亮起，石英钟走动计时，发光二极管亮度逐渐减弱至熄灭，石英钟停止走动表示放电完毕.

(4)电磁炮趣味实验

在步骤(2)的基础上将单刀双掷开关S1拨到2端，将电磁炮路端的开关S6闭合，电容器放电，可观察到电磁炮中的磁铁钉飞出.

2.2 电容器充放电演示仪的教学演示

本教具的开发遵循多功能的设计原则，力求起到一具多用的效果.通过在课堂上利用上述自制的低成本创新电容器充放电演示仪，教师可引导学生带着问题走进实验室，通过实验现象思考问题.

2.2.1 创设情境 导入电容器

(1)将单刀双掷开关S1拨到1端(电源电压为12 V)，再闭合开关S2接入量程为“1 000 μF,25 V”的电容器，可观察到小灯泡L1先闪亮后逐渐熄灭.

(2)小灯泡熄灭后将单刀双掷开关S1拨到2端，闭合开关S5，可观察到发光二极管发光，同时石英钟走动计时.

通过该演示实验的现象引发学生的认知冲突并提出问题：发光二极管发光、石英钟会走动说明有电流通过，但电路中没有接入电源，此时的电流从何处来？引发学生的讨论，激发学生的求知欲.接着引导学生观察电路图，猜想发光二极管能发光与电容器有关，导入电容器，通过实验现象为学生创设情境，引导学生解决问题.改进后的演示实验可视性增强.

2.2.2 观察充放电过程 建立电容概念

在2.2.1演示实验中，学生猜测发光二极管能发光与电容器有关，但这还停留在对现象的认知上，此时，教师可进一步提出问题，电容器是什么以及如何工作的？教师引导学生观察电容器充放电过程的示意图(图4)，发现电容器是一种储存电荷的“容器”，充电时，电容器储存了电能；而放电时，释放出储存的电能，并转化为其他形式的能量加以利用.在建立了电容器的概念后，学生对电容器产生了一定的认识，教师可引导学生思考：既然电容器是一种储存电荷的“容器”，那就有“容量”大小的问题，如何表征电容器的储电能力？具体演示如下：

图4 电容器充放电过程示意图

(1)将单刀双掷开关S1拨到1处，在闭合开关S2后可观察到小灯泡L1先闪亮后逐渐熄灭，该现象表示电容器充电完成.

(2)小灯泡熄灭后将单刀双掷开关S1拨到2端，闭合开关S5，可观察到发光二极管开始发光，同时石英钟开始走动计时.

(3)随着时间的增加，发光二极管亮度逐渐减弱至熄灭，石英钟停止走动，该现象表示电容器放电完毕，石英钟走过的时间能大致反应电容器放电的时间，引导学生记录该电容器放电的时间.

(4)按照同样的操作步骤可分别再闭合开关S3,S4，引导学生观察不同电容器充电时小灯泡的闪亮程度，在放电过程中观察石英钟记录的不同电容器的放电时间.可观察到电路中接入的电容器的电容越大，充电时小灯泡会越亮；放电时，石英钟走过的时间越长，能反映出该电容器放电时间越久.

演示实验中通过石英钟记录不同容量的电容器放电时间，可以定性地分析电容器容量对电容器储电能力的影响：充电电压相同时，电容越大，电容器放电时间越久，即说明其储电能力越强.理论分析和实验验证相结合的手段，帮助学生建立电容的概念.结合定性的实验方式对比不同容量的电容器放电时间，以间接描述电容器储电能力的强弱，在演示实验过程中渗透控制变量的物理思想，促进学生构建电容概念的同时，培养学生的科学思维.

2.2.3 趣味拓展 深化电容器的认识

在学生学习完电容器的电容知识后，部分学生对电容器的了解停留在知识层面，原因是部分学生缺乏将电容器与生产生活联系的经验.在本教具中，电磁炮作为趣味拓展物理实验，通过将炮弹(磁铁钉)射出直观地说明电容器放电过程中释放的电能可转换成其他形式的能量被加以利用，同时，也是一个将物理知识应用于生活实践的具体案例.

(1)在电容器充电完成后，将单刀双掷开关S1拨到2端.

(2)闭合开关S6，由于通电螺线管产生磁场，磁铁钉受安培力的作用后飞出(注：用有一定长度的细绳绑住磁铁钉，以制约磁铁钉飞出的距离，避免磁铁钉飞出后造成危险).

(3)在电路中接入不同电容大小的电容器(C1,C2,C3)，电磁炮中的磁铁钉飞出的距离不同.即电路中接入电容越大的电容器，放电时，电磁炮中的磁铁钉飞出的距离越远.

同时，可引导学生课后查阅资料思考：(1)电磁炮的工作原理；(2)电磁炮在生产和军事中的发展与应用；(3)电容器在生活中的其他应用.该拓展实验的引入不仅能起到深化学生对电容器的认识，还能促进学生将理论知识与实际生活相联系，可构建知识间相互联系.还可以此为启发，促进学生开展其他内容的科学实践和教具设计.

3 结束语

演示实验是物理课堂教学的重要组成部分，利用自制教具不仅能突破传统电容器充放电实验的演示局限，还能增进知识与生活实际的联系.教具的教学作用与演示实验的目的和演示效果密不可分，同时也与教师的观察指引和思维启发相互呼应[4，5].因此，教具的设计与使用需体现透过实验现象观察物理本质的思想，并与一定的教学策略结合，合理发挥自制教具的功能，达到提升课堂教学效率，不断丰富物理教学形式的目的.