电容器带电量与电势差定性关系演示仪

段娟娟　王祥委　彭朝阳

1实验器材

2只剥了外罩且卸了电池、时针、分针的石英钟，1只数字电压表，2节干电池，1个单刀双掷开关，导线若干。

2实验设计原理

电容器充电前，电容元件中未储有能量，即电容器两端电势差U_C=0。充电过程中，随着电容器两极板上所带等量异种电荷的增加，形成电流，接在充电电路中的石英钟秒针走动起来，电容器两端电势差逐渐增大，电容器充电电压U_C=U（1-e^-t/τ），其中时间常数τ=RC，时间常数r愈大，U_C增长愈慢，一般经过3～5τ的时间，即可认为达到稳态，即电路中电流为零，充电电路中的石英钟秒针停止走动，电容器两端电势差U_C=U。电容器放电过程中，电容元件充电电压达到电源电压U时（即U_C=U）。闭合开关，随着电容器两极板上电荷量的减少，放电回路中形成短暂的电流，接在放电回路中的石英钟秒针就会被短暂的电流所驱动，Uc逐渐减小，电容器放电电压U_C=Ue^-t/τ，其中τ=RC。时间常数τ愈小，U_C衰减愈快，即电容器放电愈快。放电结束，电路中电流为零，放电回路中的石英钟秒针停止走动，电容器两端电压U_C=0。

3实验设计简图

实验设计如图1、2所示。

4使用方法

（1）如图1所示，将单刀双掷开关向A点闭合，让电源对电容器进行充电，左边电路形成一个充电回路，石英钟秒针走动起来，数字电压表示数在不断增加。充电结束时石英钟秒针停止走动，数字电压表显示电容器两端的电势差近似等于电源电压。引导学生总结得出电容器在充电时两极板间的电荷量Q增加，两极板间的电势差U也在增加。

（2）将单刀双掷开关向B点闭合，让电容器进行放電，右边电路形成一个放电回路，石英钟秒针走动起来，数字电压表示数在不断减少。放电结束时石英钟秒针停止走动，数字电压表显示电容器两端的电势差近似等于零。引导学生总结得出电容器在放电时两极板间的电荷量Q减少，两极板间的电势差U也在减少。

5主要特点

本装置取材方便，结构简单，便于存放，用石英钟放慢且放大了电容器的充放电现象，充放电过程中的变化能清晰显示出来，具有较高的可见度，在教学中能够给学生带来强烈的视觉冲击。同时，该演示实验证实了电容器是储能原件，其电容就表征了电容器储存电荷的本领。

6注意事项

（1）为达到较好的演示效果，所用电容器的电容量要尽可能大（1000μF以上为宜）。本装置选用的是电容量2200μF耐压50V的电解电容器。

（2）为了增强演示效果，突出面板上的主要元件，在设计电路时把连接部分藏在了木板的背面。