电容器充放电演示仪

童俊波

摘 要： 电容器充、放电过程是理解电容器工作的主要形式。而电容器充、放电过程在极短时间内就会完成，现象稍纵即逝，学生往往感到抽象难懂。通过增加电位器和发光二极管、石英钟等元件，延长电容器的充放电时间，从而增加可见度。

关键词： 电容器 充电 放电 电位器 发光二极管

一、地位和作用

人教版普通高中物理选修3-1《电容器的电容》中电容器充、放电实验是一个很重要的演示实验。电容器充电、放电的过程是电容器工作的主要形式，学生不容易理解，所以课堂中很有必要对电容器的充电、放电过程进行放慢和放大，从而使学生加深对电容器工作原理的认识和理解。为此，特制作了本套电容器充、放电演示仪。

二、实验原型及不足之处

教材采用灵敏电流计显示电容器充、放电现象实验，如下图，由于灵敏电流计量程较小，承受不了大电流，充放电刚开始时极易烧坏线圈或打弯表针，且由于充放电流时间太短，现象稍纵即逝，可见度不大。

三、实验创新之处

方案一：改装灵敏电流计，扩大其量程。用两个并联的发光二极管与电流计及电位器串接，通过发光二极管的亮暗和电流计指针偏角显示充放电流的大小；同时可利用发光二极管的单向导通性显示充、放电流的方向[1]。

方案二：由于石英钟的耗电量小，且频率及其稳定，可利用电容器充放电时产生短暂电流驱动石英钟，能让石英钟走动较长一段时间，从而放慢、放大电容器充放电的现象，同时石英钟有计时功能，可以用石英钟走动时间的长短说明电容器容纳电荷本领的大小[2]。

四、实验器材

“10000μF50V”电解电容器一只，发光二极管两只（红、绿），10kΩ电位器一只，330Ω电阻一只，100Ω电阻一只，J0402型示教电表一只，石英钟两只，1.5V1号干电池4只，单刀双掷开关2只，单刀开关1只，鳄鱼夹3个，导线若干，红、绿胶布少许，90cm×70cm木板一块。

五、实验原理及装置说明

5.1电路图设计如下：

5.2给灵敏电流计并联一个430Ω的电阻，扩大其量程，同时串接10kv电位器和发光二极管，扩大回路电阻，延长电容器充放电时间；还可以利用二极管的单向导通性显示充放电流方向。

5.3根据石英钟耗电量小的特点，充分放大充放电时间，增大了实验的可见度。

5.4按照5.1的电路图，在演示板的正面相应位置打孔，安装好各个电路元件；在演示板背面用电烙铁把导线与电路元件焊接牢并连接好电路，用红、绿塑料胶布充当导线贴在板的正面，显示电路的连接情况。

六、实验过程

6.1鳄鱼夹接a（电源电压6V），调节电位器到适当的阻值，把单刀双掷开关S接1，闭合开关S，LED1发出最亮红光（LED2始终不亮），电流计指针向右偏到最大位置，说明电容器正在充电，电流为顺时针方向；随着时间的推移，LED1逐渐变暗，电流计指针偏角逐渐减小；最后充电电流几乎为零，LED1完全变暗[3]。

6.2把开关S接2，此时LED2发出最亮绿光（LED1始终不亮），电流计指针向左偏到最大位置，电流为逆时针方向，说明电容器正在进行放电。随着时间的延续，放电电流逐渐减少，LED2逐渐变暗，电流计指针偏角逐渐减小；最后电流表指数几乎为零，LED2完全熄灭，放电结束。说明电容器具有储存电荷的能力。

6.3断开S，把两石英钟的秒针用手拨到12点位置，鳄鱼夹接b（电源电压3V），把单刀双掷开关S接1，开关S接3，左边石英钟开始走动计时，说明电容器正在充电，由于石英钟耗电量很少，充电过程大概经过25s左右。

6.4把单刀双掷开关S接2，然后把开关S接4，右边石英钟开始走动计时，说明电容器在放电，放电时间20s左右。

七、实验效果

本实验使学生清楚地看到了电容器充、放电的过程，还能明确充、放电的方向，使学生印象深刻，对掌握电容器的充、放电过程起到了非常好的作用。

八、自我评价

本实验装置结构简单，制作方便，过程安全，形象生动，演示可见度大。本装置可以在电容器两端并联10V电压表，探究电容器充放电过程中电流与电压的变化规律；还可以在同一电源下，使用不同容量的电容器实验，探究电容器同一电压下储存电荷的能力。希望各位专家和同行对本实验装置进行批评指正。

参考文献：

[1]肖芝清.用系列实验揭示电容器里的秘密[J].教学仪器与实验，2006（04）.

[2]季永青.巧用石英钟观察电容器充放电现象[J].实验教学与仪器，2005（Z1）.

[3]张喜荣，岳宝良，尹建义，刘彦玲.教学探究——电容器放电快慢与什么因素有关[J].物理通报，2010（05）.