對(duì)平行板電容器課堂演示實(shí)驗(yàn)的探討

對(duì)“平行板電容器”課堂演示實(shí)驗(yàn)的探討

研究平行板電容器的電容與哪些因素有關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)（如圖1），是高中物理電容器這一節(jié)內(nèi)容的重點(diǎn)，所以實(shí)驗(yàn)的成功與否對(duì)課堂教學(xué)非常重要.圖1一、對(duì)原實(shí)驗(yàn)的探討1.實(shí)驗(yàn)原理此實(shí)驗(yàn)是用了高中物理實(shí)驗(yàn)中常用的控制變量法，即控制平行板電容器兩板的電量不變，結(jié)合用靜電計(jì)測(cè)電容器兩端的電勢(shì)差，來研究電容與正對(duì)面積、兩板間距離、及中間電介質(zhì)的關(guān)系。但此實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象卻時(shí)好時(shí)壞。分析發(fā)現(xiàn)，此實(shí)驗(yàn)中平行板電容器兩板的電量不變有點(diǎn)牽強(qiáng)。當(dāng)靜電計(jì)通過兩根導(dǎo)線并聯(lián)在電容器兩端時(shí)，由于靜電計(jì)及兩根導(dǎo)線各自都可以看成一個(gè)電容器，所以實(shí)際上是三個(gè)電容器并聯(lián)，如圖2所示。三電容器并聯(lián)后的總電容為，所以要說不變的是三電容器上所帶的總電量不變才對(duì)。除非當(dāng)平行板電容器的電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩導(dǎo)線和靜電計(jì)的電容之和（即），才可以近似認(rèn)為平行板上的電量不變。圖2以我們演示實(shí)驗(yàn)所用的平行板電容器為例：兩圓形平形板直徑約20cm，以空氣為電介質(zhì)時(shí)，它的電容與兩極間距離d的關(guān)系見表1表1d/cm0.51.02.010.020.0C/pF5628142.81.4再用DT5803型的數(shù)字萬用表測(cè)得靜電計(jì)及兩導(dǎo)線的電容之和大約為8pF，所以研究電容與兩極板之間距離時(shí)，極板移動(dòng)幅度不宜過大。特別是當(dāng)極板間的距離大于10cm時(shí)，電路中起主導(dǎo)作用的電容器已經(jīng)不是平行板電容器了，多數(shù)的電量都集中在靜電計(jì)上，兩極板的距離改變不會(huì)使靜電計(jì)的指針偏角發(fā)生變化。當(dāng)然在研究正對(duì)面積與電容的關(guān)系時(shí)，也要注意正對(duì)面積不宜過小，以免造成指針偏角不變化的情況。2.可操作性此實(shí)驗(yàn)是屬于靜電演示實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中對(duì)空氣的干燥性要求很高。特別在南方地區(qū)或陰雨連綿的天氣，由于空氣不夠干燥，教室里又有很多學(xué)生，空氣中的水氣會(huì)很快把平行板電容器上的電荷導(dǎo)走，所以只能用烘箱把儀器先烘一段時(shí)間（保持儀器的干燥），再速戰(zhàn)速?zèng)Q把實(shí)驗(yàn)做完，課堂的效果可想而知。二、對(duì)原實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的失敗筆者一直認(rèn)為做電路實(shí)驗(yàn)比靜電實(shí)驗(yàn)來得的簡(jiǎn)單，所以曾經(jīng)有這樣的一個(gè)不成熟的電路圖在腦海里浮現(xiàn)（如圖3）。當(dāng)電容器與恒壓電源相連，可以認(rèn)為電容器兩端的電壓不變，在改變兩極板的距離及正對(duì)面積時(shí)，通過判斷靈敏電流表的指針偏轉(zhuǎn)情況確定電容器的沖放電，從而知道電容器上的電量是增是減，最后確定電容與這些影響因素的關(guān)系。但把低壓學(xué)生電源換成高壓發(fā)生器，把靈敏電流表?yè)Q成微電流傳感器，都沒有看到預(yù)想的結(jié)果。最后在反思中發(fā)現(xiàn)此實(shí)驗(yàn)不能成功的原因是平行板電容器的電容實(shí)在太小，幾十個(gè)皮法的電容要在靈敏電流表中有明顯的沖放電流必須加一千萬伏特以上的直流高壓，顯然在實(shí)驗(yàn)室里缺乏可操作性，當(dāng)然也就理解了為什么課本中不采用控制電壓不變來研究的原因了。實(shí)驗(yàn)失敗后，筆者專門學(xué)了用flash制作小課件，按照上面的電路設(shè)計(jì)在電腦上看到了自己想要看到的結(jié)果，把它作為輔助教學(xué)，但心里卻充滿遺憾。圖3三、對(duì)原實(shí)驗(yàn)的再次突破物理新教材中已經(jīng)融入了許多新的科學(xué)技術(shù)知識(shí)及先進(jìn)的測(cè)量工具，數(shù)字萬用表的普及使用給物理演示實(shí)驗(yàn)提供了新的思路。筆者用DT5803型的數(shù)字萬用表輕松地找到了平行板電容器的電容與正對(duì)面積，兩極板間的距離及電介質(zhì)之間的關(guān)系。操作之前先用數(shù)字萬用表測(cè)量幾個(gè)已知電容值的電解電容器，每次讀數(shù)都要穩(wěn)定一定時(shí)間，最后表明測(cè)量值與標(biāo)稱值非常接近，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到數(shù)字萬用表的精確度比較高。實(shí)驗(yàn)采用的是兩塊直徑約為23cm的圓形銅板電容器，裝置如圖4所示。電容器極板的兩根引線插入數(shù)字表的專用的電容測(cè)試座中（不要插入表筆插孔COM、V/Ω），量程調(diào)至2μF檔。注意實(shí)驗(yàn)時(shí)兩板保持豎直且平行。圖4實(shí)驗(yàn)步驟如下：1)使兩極板正對(duì)且相距為2cm，打開數(shù)字表開關(guān)，數(shù)字顯示為20pF，再把兩極板距離調(diào)到1cm，顯示電容為39pF，繼續(xù)使極板距離調(diào)到0.5cm，顯示電容為72pF。根據(jù)上述結(jié)果，同學(xué)們很快可推出：平行板電容器的電容與極板的間距約成反比。2)保持兩極板間距1cm不變，分別在中間插入塑料板或玻璃板（因?yàn)殚g隙比較小，所以最好不要碰到兩極板），電容器的電容均變大。插入塑料板時(shí)使電容器的電容從39pF增大到56pF。由此可推出：平行板電容器的電容與極板間的電介質(zhì)有關(guān)。3)改變兩極板正對(duì)面積，顯示結(jié)果為：正對(duì)面積越大，電容越大。再換用電子管收音機(jī)的可變電容器做實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)片，使其正對(duì)面積由最大調(diào)到最小，電容則從386pF變到26pF。由此可推出：平行板電容器的電容隨正對(duì)面積增大而增大。歸納上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，再引出課本中的結(jié)論就顯得水到渠成了。演示實(shí)驗(yàn)是物理教師順利開展課堂教學(xué)的重要手段，也是培養(yǎng)科學(xué)探究能力的重要載體，我們要用心對(duì)待每一個(gè)演示，課前做好充分的準(zhǔn)備或替補(bǔ)實(shí)驗(yàn)，甚至多媒體課