借力创新实验 活学《电容器的电容》

吴海燕

电容器是电子工业中重要元器件之一，高中学生认识并熟悉它的工作机理很有必要。高中教材将《电容器的电容》安排在“静电场”一章的第8节，其实还有让学生立足电容器这一模型，进一步巩固静电场相关规律认知，以及强化实验探究的目的。实际教学中，很多教师将教学重心放在“探究平行板电容器的电容”这一块，同时厚此薄彼，弱化了其他几个方面的教学，这是一种教学方向的迷失。

那又该如何引导学生学习这部分内容呢？笔者认为应该从学科特点出发，充分挖掘可以实验的教学素材，给学生提供更为直观、形象的、可获得直接经验的实验情境，引导学生从实验现象出发总结和归纳规律，习得知识体验探究的过程，感悟物理学科素养，发展创新意识与能力。在实际教学中，笔者正是出于以上考虑，设计了几个实验引导学生进行探究，学生的学习效果果然很好。

1自制电容器，引导学生认清其构造

有关电容器的定义和结构，教材只是做了简单的介绍。因此教师必须开发资源，自制简易电容器，提供学生直接而感性的认知。

如图1中甲图所示，将一只盛有大半瓶盐水的玻璃瓶放在盛有一定量盐水的水槽中，并将充当电极引线的铜丝a和b分别插在玻璃瓶和水槽中。另准备带有绝缘包皮的铜丝两根，如图乙所示将其一端绕成圆环的形状，并包裹上一些透明胶布备用。实验开始之初，让学生观察上述装置，并让他们结合教材中有关电容器的说明，猜想它能否构成电容器。教师做出适当解释后，开始准备实验，将电容器一极6与起电机的一端以及验电器的外壳进行连接，并将起电机的另外一端与准备好的导线d连接，将d另一端的小环套在玻璃瓶电极a上。摇动起电机对该电容器充电，在这一过程中，以粘在导线d上的胶布为把手将导线从玻璃瓶上取走，停止对起电机的摇动。教师通过胶布提起导线c，将其圆环一端套在a上，并将其另一端与验电器小球接触，发现验电器指针发生较大偏转；再将这一端接近电极b，在逐渐靠近的过程中，发现两者之间出现放电火花，这两个现象都说明该装置成功地带电并储备了电能。

上述装置取材容易，操作简单，效果也非常明显，能够让学生直观地认识到瓶中和水槽中的两部分盐水就是电容器概念中两个彼此绝缘的导体，而电容器最基本的性质在上述实验情形中也体现得很明显——储存电荷和能量。当然该实验操作中有两个要点：①对绝缘条件要求苛刻。实验之前，必须对玻璃瓶口周边、验电器等装置进行干燥处理；②演示之初，不要直接将验电器直接连在电极a上，否则学生会将验电器指针偏开的原因归咎于起电机直接让验电器带电。

实际教学中，教师还可以介绍一下莱顿瓶的基本结构（如图2所示），把原先玻璃瓶内外的盐水置换为锡箔即可。让学生将两个模型对比认识，有助于他们了解电容器的结构，也有助于他们后期规律的学习。

2引导学生在实验中认识电容器充放电过程

电容器的充放电过程在第一个实验中也有所呈现，但是过程还不够直观。因此，笔者又借助灵敏电流计设计了第二个实验，将充放电电流直观地表现出来。

实验器材包括1000 μF的电容器一只，10 kΩ的电阻一个，电源选用6 V，满偏刻度为500 μA的灵敏电流计一只。

将上述器材如图3所示进行电路连接。有关实验演示步骤如下：①将开关S接到1位置，则开始充电，引导学生观察灵敏电流计在这一过程中的指针偏转方向以及读数变化特点，当电流表读数减小为零时，则表明充电结束，这一现象向学生说明了稳定状态下的电容器无法导电，相当于断路；②将开关S接到2位置，引导学生观察灵敏电流计上指针偏转情况，并让学生讨论此刻电流的方向以及产生根源，思考充电阶段和放电阶段的能量转换关系。

上述实验电路将充电过程和放电过程整合在一起，让学生对相关过程中电流特点有了直观的认识。此外放电过程中，指针的偏转也可以设计出问题：什么能量驱动了电流计指针的旋转，进一步挑明其中的能量关系。当然本实验还有改进的空间，将放光二极管接入放电电路能更好地向学生传递相关信息。

3构建实验帮助学生理解电容概念

电容的概念是本节课最为抽象的知识点，教材上以类比的方式对此进行处理，但是如果只是停留于空洞的类比说明，学生还是只能一知半解，究其原因，还是因为电容器上电量无形无质，学生无法获取感性认知，因此与容器储水量之间很难构建类比的桥梁。很多教师以如图4所示的电路，对不同时刻的电流大小进行测量，并通过计算软件对有关数据进行处理，最终得出了电容器的带电量，此后还进一步改变电容器两端电压，重复上述操作。相关过程相当繁琐。实际教学中的可行性很差。

笔者对上述实验进行了改进，用恒流源来替代其中的电压源，结合时间的测量，直接用Q=It来计算电容器的电量。

如图5所示为实验装置图，虚线框即为恒流源电路，实验过程如下：①先引导学生回顾有关电流和电量的关系：电流与通电时间的乘积即为通过导体的电量。结合本实验中的情境，所有电量最终都集中于电容器上，因此要测定电容器上的电量值只需测量电流和通电时间即可；②组织学生进行分组实验，提醒学生分工协作：安排专人分别利用秒表记录时间和实时监测电压表读数，当电压表读数增大到0.5 V时，断开开关，停止计时，并将时间进行记录；③接通开关，继续对电容器充电，当电压增大到1V时，再次记录下时间；④类似测量电压为1.5 V、2 V、2.5 V等值时，对应的充电时间；⑤运用公式Q=h，计算出对应不同电压的电容器带电量，比较电压与电量的关系，并用Q-U图象进行描述；⑥更换其他规格的电容器进行实验，按照上述步骤进行操作。

引导学生对实验结果汇总，通过图象，学生能认识到电量与电压的正比关系，结合不同规格的电容器Q-U图象斜率不同，教师可以引导他们总结出电容的概念。

高中物理学习中，学生认知的构建需要依托大量感性信息的整理和提炼。教师运用创新思维，设计并开发与教学内容相适应的实验符合学生认知特点，也有助于我们课堂效率的提升。从教学实际效果来看，本课的实验环节设计立足于学生基础和认知习惯，在充分激起学生兴趣的同时，引领学生在科学探究的过程进行概念的总结和规律的发现，让学生充分融入教学过程当中，有效体现学生乐于学习、积极探究的主体地位。