电容器充、放电实验的可视化设计探讨

徐国华

人教版高中《物理》（必修三）教材中观察电容器充、放电实验现象的缺点有：较难直观反映电容器储能功能；电流、电压的变化数据记录困难；电路漏电对实验效果的影响较大。我们改进电路结构，更新数据测量手段，更换新规格电容器，解决电容器漏电问题，使得电容器和电容的概念生成更加自然、科学。

一、实验原理

电路图如图1所示，单刀双掷开关S1与开关S2共同控制电容器C1充、放电；单刀双掷开关S1与单刀双掷开关S3共同控制电容器C2充、放电；小灯泡亮度反映电容器充、放电过程中电流大小，间接反映电容器两端电压大小，通电时长反映电容器储存的电量。此实验可用电流、电压传感器实时测量并记录相关电学量。

二、实验器材

木板2块、T型线夹8个、XT90插头、铜导线、红黑接线柱8个、电池盒1个、单刀双掷开关（S1、S3）4个、开关（S2）2个、小灯座（L）2个、2.5V小灯泡2个、电池盒2个、干电池4节、电容器（2.7V 1F1个、2.7V 2F1个、16V 1000μF2个），多量程电压传感器1个、多量程电流传感器1个、传感器数据采集器1个、木螺丝若干、电锯、手电钻、剥线器等。

三、制作过程

在木板正面绘制电路图，后将相关元器件摆放到相应位置，用手电钻在相关元件下方打好接线孔，将铜导线固定在相关元件接线柱上，并穿过接线孔；将XT90插头的公头与导线进行焊接，将红线焊在正接线柱上，蓝线焊在负接线柱上，将公头连接到电路中，红色导线靠近电源正极，蓝色导线靠近电源负极，再将4个电容器分别焊接在4个母头上（电容器的正、负极与插头的正、负极相对应）；在木板背面按照电路图用T型接线器连接好电路，并用木螺丝固定好，定性分析成品如图1所示，定量分析成品如图2所示。

四、定性观察电容器充、放电现象

实验操作：断开S3，闭合S2，开关S1电键拨到1位置。电容器C1充电，电容器C2不工作。

观察到現象：灯泡亮度越来越暗，最终熄灭。

现象分析：实验表明电路中电流逐渐变小，可能有两种原因：（1）电容器是可变电阻，电阻越来越大，导致电流越来越小。（2）电容器是储电容器，与电源并联，随着电量增加，电容器的两端电压越来越大，电源正极与电容器正极间电压减小，电路电流减小。

论证思路：将开关S1拨到2位置，保持其他操作不变，灯泡亮，这个现象为电容器放电现象。此现象否定结论（1），支持结论（2），电容器是一种能储存电荷的储能装置。

实验表明：电容器在放电过程中通过灯泡的电流减小，电容器两端电压减小，电容器储存的电量减少，电容器带电量与电压有关。

五、定量观察电容器储存的电荷量影响因素

实验操作：在图2中将电流传感器串联在接线柱5、6之间，测量电容器C1充、放电电流，电压传感器与接线柱7、8连接，与电容器C1并联。断开S3，闭合S2，开关S1拨到1位置，电容器C1充电；开关S1拨到2位置，电容器C1放电。

传感器特点：电流从电流传感器正接线柱（红）流入，负接线柱流出，电流为正，反之为负；电压传感器正接线柱（红）接正极，负接线柱接负极，电压示数为正，反之为负。

观察到现象：电压和电流传感器收集到的数据如图3左侧部分所示，电流传感器记录的电流逐渐减小，电压传感器记录数据逐渐增大，当电流传感器示数接近零时，电压传感器的示数逐渐稳定，趋近于电源电动势。放电现象记录的数据如图3右侧部分所示，电流传感器记录的数据显示电流逐渐减小，电压传感器记录的电容器两端电压逐渐减小。当电流传感器示数为零时，电压传感器示数为零。

实验优点：用传感器记录数据可以直观地显示电容器两端电压与电路中电流的大小及方向关系。

探究电容器储存的电荷量与电压的定量关系：将电容器C1和C2换成相同规格电容器（16V 1000μF），电压传感器连接接线柱9、10，与电容器C2并联，开关S2闭合，开关S3拨到3位置，开关S1拨到1位置，对两个电容器同时进行充电，充电结束断开S1。开关S3拨到4位置，电容器C2放电，放电时长20s左右，再将开关S3拨到3位置，电容器C1对电容器C2进行充电，充电10s左右，传感器实时记录电容器两端电压。根据均分原理，电容器C1带电量只有原来一半。重复上述操作，实验结论如图4。

实验表明：相同电容器所带电量与电容器的电压成正比，即Q∝U。若将上述关系写成等式，则电容器所带电量与电压关系：Q=CU（C为常量）。

六、电容概念构建

将电容器C1换为规格2.7V 2F，C2换为规格2.7V 1F。开关S2闭合，将S3拨到3位置，将S1拨到1位置，同时充电至稳定状态，两个不同规格的电容器具有相同电压，将开关S3断开，开关S1拨到2位置，先对电容器C1放电；电容器C1放电结束，再将开关S2断开，开关S3拨到3位置，对电容器C2进行放电。

实验现象：比较两次电容器相同电压情况下放电时长，电容器C1放电过程中灯泡亮时长约26s，电容器C2放电过程中灯泡亮时长约16s，说明电容器C2储存的电量少。

实验表明：电容器储存的电量与电容器的自身性质也有关。

通过上述分析可知，不同规格电容器的常量C值不同， C值反映的是电容器自身存储电荷本领大小的物理量，只与电容器自身性质有关，与储存电荷量以及电压大小无关，把它称为“电容”。

七、实验创新之处

电路直观。将电路进行重新设计为图1所示线路板，便于学生观察、理解。

现象明显。采用电容为1F左右的电容器进行充、放电演示，在电路中串联小灯泡，通过小灯泡发光的强度和时长分析电容器的带电量、电压以及说明电容器具有能量，现象明显，说服力强。

实验精准。采用16V 1000μF大电容进行研究电容器的电压与电量关系，充、放电快，用传感器采集数据，可以做到精准。重新设计电路，改变电压传感器位置，解决电压传感器漏电影响。延长放电时间，减少电容器“剩电”影响。

（作者单位：江苏省吴江高级中学）

责任编辑：王 燕