电容器的充放电*

钱选体

(南通市启秀中学 江苏 南通 226001)

电容器是一种重要的电学元件，是一个储存电荷的储能元件，它不是一个耗能元件，可以说没有电容器就没有现在的信息社会和现代化的生活.要掌握电容器的特性,笔者认为做好电容器的充放电实验尤其重要，这个实验可以帮助学生理解掌握电容器特性在电路中的作用.

人教版《物理·选修3-1》给出的电容器的充放电示意图如图1，开关S掷至1为充电，掷至2为放电，表面上是可以进行充放电的实验了，但实际上是看不到实验现象的，由于电路中无电阻R，充放电时间很短很短，根本看不到充放电的过程，几乎看不到电流表的变化过程.

图1

图2

若用图2进行演示，C=470 μF，R=10 kΩ,A○表用100 μA或500 μA的示教万用表G，V○用2.5 V的示教万用表，时间常数RC=5 s，整个充放电时间为15～25 s，便于观察和讲解，A○的指针放在正中，可以左右偏，E用一节干电池，可以很好地演示充放电实验，S掷至1为充电过程，同时可以看到A○表读数由最大逐渐减小，V○表读数由小逐渐增大，可知充电的电流方向及电容器上、下极板所带的电荷量；S掷至2时为放电过程，此时可以看到A○表和V○表的读数同时减小直至为零，同时可以看到放电电流方向与充电电流方向相反，有足够的时间进行讲解说明，可以说明充好电的电容器储存能量即电场能.

图2存在两个缺点，充电结束时A○始终不为零，因为V○不是理想表，不能很好说明充电结束时电路中电流为零，一种方法是将V○表断开再做充电实验，此时充电结束时A○表读数为零；还有一种方法是改变A○的接线位置，由外接改为内接，还有一个缺点为S断开1又没有与2连接时，理论上C两端的电压应不变，即充好电的电容器的电荷量不变，由于V○表不是理想表，它要放电，所以在V○表支路上接一个开关，断开1时及时断开V○支路中的开关.

用图3进行演示，E,R,C,A○,V○的值及选择与图2相同，S1为单刀双掷开关，S2为单刀单掷开关，观察效果很好，有足够的时间进行充分的讲解；当S1掷至1，S2接通为充电，可以同时看到A○和V○的读数变化过程，终态时A ○为零而V○约为E，据A○表的指针偏转方向可知充电的方向；当S1断开前先断开S2，可以提出问题说明充好电的电容器存在什么呢？然后先接S2再快速使S1掷至2，观察此时V○的最大值几乎不变，然后A○和V○表同时减小直至为零；说明充好电的电容器两端电压U不变，即电荷量Q不变，充好电的电容器储有能量即电场能，通过A○表的指针偏转方向可知放电的电流方向与充电的电流方向相反.

图3

通过图3进行充放电实验后可以说明下面几个问题:

第一,根据充电时A○的读数由最大减至零，说明电容器C在直流电路中接通的瞬时相当于短路，正常工作时相当于断路；

第二,可以通过改变R和C的值，可以观察到充放电时间的长短，说明R与C的乘积是时间，RC电路有延时效应，从而可以使电路延时接通或延时断开达到需要的自动控制；

第三,可以通过充放电知道电容器的串、并联的特点，若并联电容器后，充放电时间增大，RC乘积增大，说明并联后电容器的电容量增大，若串联电容器后，充放电时间减小，RC乘积减小，说明串联后的电容器的电容量减少，从而使学生很容易接受电容器的串并联的电容量的变化；

第四,很容易解决图4(a)的问题，可以先按图4(b)进行一个演示实验，电阻箱R1,R2,R3都调为5 000 Ω，A1○,A2○,A3○为示教万用表的G表，当S闭合可以看到3个A○表的读数变化与图4(a)中的A,B,C灯的亮度变化是一样的，利用灯C接通时短路，正常时断路，灯A先亮后渐暗与灯B同样亮，灯B和灯C先同样亮后灯C渐暗且不亮，灯B渐亮，还可以很容易回答图4(c)中S接通时A，B灯谁先亮，亮度变化情况如何，据接通时瞬间灯C短路，则灯A先亮，据灯C正常工作时断路及充电需要时间，所以灯B后亮，灯A由亮变暗，灯B由暗变亮.

图4

图5

图6

则

即

电容器充放电过程测电容器的电容量C，可以演示一个学生实验，使学生通过身边的简单仪器也可以测到C值，不一定要用传感器，可以培养学生的创新思维能力，而且这个实验使用的仪器，如电阻箱、干电池、电容器、秒表或手表、G表各校都有.实验时可以采用图3中的数据每5 s读一个I值，作出I-t图即可.

总之，在目前大力提倡高效课堂，培养学生的创新思维能力的前提下，我们的物理课堂应该走在前面，能做好的演示实验要创造条件做好，能让学生动手的学生实验尽量安排给他们做，从而达到培养人才的预期效果.