谈电容器、电容学习进阶

汤玉林

(北京四中,北京 100034)

·物理实验·

谈电容器、电容学习进阶

汤玉林

(北京四中,北京 100034)

电容器电容是高中教学中的难点,笔者就电容器电容的教学,通过创设有利于学生构建的情境,让学生构建相关概念,对电容器电器的学习进阶做了相关的分析和探讨．

构建；实验；电容器电容；学习进阶

物理概念教学是物理教师的一个首要任务．高中学生要在短时间内学习、掌握人类漫长而艰难的思维活动产物——物理概念,这就要求教师在物理概念教学时,使学生对概念的认知过程与物理概念的客观形成过程相一致,与学生认知的心理规律相一致．作为认知主体的学生,在学习物理概念时最好有一定的感性认识．因此,作为物理教师应充分重视学生的感知和课堂演示实验.这样既符合中学生的年龄特征,也遵循由具体到抽象,从感性到理性的认知规律.所以在建立物理概念的过程中,给学生提供丰富足够的感性认识,在学生头脑中建立起清晰的物理直观图景,这对建立物理概念是十分有益的．因此教师要努力创造条件,运用演示实验进行直观教学,抓住物理实验的直观、形象、生动的特点,唤起学生的直觉兴趣．下面笔者结合教学实践带领学生一步步从电容器的接触、电容器充放电的特点、电容概念的定义、电容器对交直流电路的影响、电容器在技术上的应用,真正理解“电容器电容”概念的内涵,实现“电容器电容”概念的学习进阶．

1 感性认识电容器

电容器在各种电子仪器中都有广泛的应用,但是学生对电容器并不熟悉,因为他们很少打开用电器观察其中的元件．

演示1:实物展示.

教学中先进行实物展示,让学生认识电容器的外形和两个电极,接着教师解剖一个纸质电容器,让学生观察内部构造,使学生认识电容器是由两块彼此绝缘又相互靠近的导体和导体之间的介质构成．

演示2:创设情境,用两个金属盆和塑料薄膜组成电容器储存电荷.

在初步认识电容器的基础上再用手摇起电机给两个金属盆充电(金属盆中间夹一层薄塑料薄膜),充电后,储存的电荷足以使5人连起来的回路通电,并让大家有酥麻的感觉．

这些感性材料对学生了解电容器是十分有益和必要的．以生活实例为素材创设新课教学情境,能激发学生的求知欲、调动学生的思维能力．

2 电容器的充放电

在初步了解电容器的基础上,为了进一步理解电容,充分认识和了解电容器的充放电是学习电容器的下一步进阶．

电容器的充、放电过程是电容器工作的主要形式,也是学生了解电容器的一个载体．要深刻理解电容等知识,需要以认识电容器的充放电及其规律为基础．

演示1:电容器的充放电.(用石英钟走过的时间显示电荷量的大小)

利用石英电子钟观察电容器的充电、放电现象．石英钟耗电荷量小,且频率稳定,取下石英钟电池,利用电容器充放电产生的短暂电流来驱动石英钟,能使石英钟走动较长一段时间,从而放大、放慢了电容器的充电、放电现象．而且,石英钟具有计时功能,当电容器充电、放电结束后,石英钟秒针会停留在最后时刻的位置上,从而用石英钟走过的格数来表征电容器带电荷量的多少．

演示2:利用传感器显示充放电过程电流电压的变化过程.

电容器充放电是一种典型的暂态过程,但有些学生误以为充放电是在一瞬间完成的,有些教师上课时也在不经意间做如此的描述．只注重结果而忽视过程．为此利用电流传感器和电压传感器来显示充放电过程电流电压的变化过程．实验电路和采集到的数据如图1所示．通过图像,学生可以直接看到充电过程电压逐渐增大到一个稳定值,电流从最大值逐渐减小到0的过程．放电过程电路电压都逐渐减小的过程．直观的图像加深了学生对暂态过程的认识,也对电容器带电等相关知识加深了认识,为后面电容概念的得出打下基础．

图1

3 电容概念的建立

电容概念的得出一个难点是如何测量电容器的带电荷量,我们可以借鉴“探究功与物体速度变化关系”一节的方法,虽然橡皮筋形变后无法得出每一根橡皮筋的弹力做了多少功．但是,只要成倍增加完全相同的橡皮筋,所做的功也成倍增加．

图2

类比上述方法逆向思维采用倍减法,按照如图2所示的电路连接好电路,实验中所用的电压表为多用电表的数字电压表．图中5个电容器为电解电容器,规格相同,批次相同．先给最左边的电容器充电,充电完毕后依次闭合4个开关,根据对称可知最左边电容器的带电荷量分别为q、q/2、q/3、q/4、q/5,读出相应的电压表的读数．不难发现电容器带电荷量Q变化,电容器两极板间的电压U随之改变,但Q/U的比值在误差允许的范围内保持不变．换一组电容器重做实验同样可以得出Q/U的比值在误差允许的范围内保持不变,但Q/U的比值不相同．所以Q/U的比值由电容器的结构本身决定,根据实验得出了电容的定义式以及电容器电容的物理意义．

采用上述思路进行“电容器的电容”教学,注重了学生是学习的主体,主体性得到充分发挥,课堂气氛活跃,概念的教学建立在实验的基础上.学生既能深刻领会概念的内涵,又能了解一种实验思想．让学生在探究和互动中构建知识和概念,锻炼了学生的实验数据采集和分析能力,有利于物理实验情感的培养,有利于拓展学生的知识面．

4 平行板电容器的电容

平行板电容器是最基本的电容器,研究平行板电容器的电容对理解电容的定义也有很大的帮助．

教材在探究影响平行板电容器电容的因素时,采用电容器和静电计相连的实验装置,通过调节两极板正对面积、调节两极板间距或改变两极板间电介质等,观察静电计张角的变化,进一步推导电容的变化规律,如图3所示．这个实验的优点是能让学生清晰地看到当两极板正对面积、两极板间距、两极板间电介质发生变化时,电容器两极板间电势差是怎么变化的．

笔者在实际教学过程中没有首先做该实验,而是在得出平行板电容器的电容与正对面积、极板间距及极板电介质的关系后再做该实验,以验证电容与这三者的关系．之所以这样做,笔者觉得这种间接推导的变化关系不直观,不符合高中生的认知水平和逻辑发展水平．

(甲) 保持Q和d不变，改变两板的正对面积S，观察电势差U的变化，判断电容C的变化.

(乙) 保持Q和S不变，改变两板的距离d，观察电势差U的变化，判断电容C的变化.

(丙) 保持Q、S、d不变，插入电介质，观察电势差U的变化，判断电容C的变化.

据此,笔者在教学过程中采用如下方法:用数字式多用电表直接测量平行板的电容值,然后分别改变两极板正对面积、两极板间距、两极板间电介质,可以很直观获得平行板电容器电容与正对面积、极板间距及电介质的关系．这种用多用电表测量电容的方法,不仅可以激发学生的创新思维,还培养了学生学以致用、与时俱进的科学思想．

5 电容器对交变电流的影响

如图4将灯泡和电容器分别接到直流电源和交流电源上．让学生观察对比两个电路中灯泡的发光情况．

通过实验现象的对比我们可以看出电容器对交流、直流的影响的差异,也能更好地得出电容器通交流隔直流的结论．

图4

图5

如图5,将电路接入带功率输出的信号发生器上,改变交变电流的频率和更换电容器,观察两盏电灯的亮度将如何改变．通过实验现象的对比我们可以得出电容器对交流电路的阻碍作用随着电容的增大而减小,随着频率的增大而减小．

电容器对交流电路的影响中学阶段不要求定量,对于定性的要求通过“见”来构建．“见”是基础，是知识的生长的起点．

6 电容在技术上的应用

图6

电子技术中,从某一装置输出的电流常常既有交流成分,又有直流成分．如果只需要把交流成分输送到下一级装置,只要在两级电路之间接入一个电容器(称为隔直电容器)就可以了．电流通过电容器后,只能是交流部分通过电容器到达后一级装置．

反过来,如果只需要把直流成分输送到下一级装置,只需要将电容器与电阻并联,交流成分经过电阻旁边的电容器(称为旁路电容器),直流成分不能通过电容器而通过电阻,这样负载电阻上的交流成分就更少了．

学习进阶能保证科学课程内容的连贯性,使各学段所学内容具有良好的关联和衔接,这是实现“少而精”的科学课程理念的关键．与此同时,整合与发展己成为当代基础教育科学课程改革的核心理念,“整合”是指用核心概念组织课程内容,“发展”则是指构建出核心概念的学习进阶．

对于“电容器电容”的学习进阶的各中间水平给出了对学生学习成就的预期,为教师和学生提供了清晰的目标,实际上也可为最终理解“电容器电容”概念提供了“线路图”．

1 张晓华.关于人教版“电容器的电容”教材编写的一点拙见[J].物理教师，2016(4)：21-23.

2016-10-17)