高中生对电容器学习的难点分析及其对策

2018-08-15周桑霓

数理化解题研究 2018年19期

周桑霓

(广州华南师范大学物理与电信工程学院 510006)

一、难点及其对策

1.电容器的结构及其作用

高中生对于学习电容器的第一个难点就是对电容器的结构及其作用的理解.任何两个彼此绝缘又相距很近的导体，都可以组成一个电容器.例如生活中广泛运用的短天线，虽然看着不像，但也是一种电容器.在高考题中经常出现的平行板电容器由两块金属板和一层或多层绝缘电介质构成.在两金属板间加上电压，两个极板间会存在电势差，电势差产生电场，在电场力的作用下，电极存储电荷.所以说它是一种是储能元件.

为了帮助加深高中生对于电容器作用的理解，可以采用类比法，将电容器类比为水容器(柱形水桶).评价一个水桶，应该知道它可以装多少体积水，也就是容纳水的能力.如果知道这个水桶的高度和可以容纳多少体积的水，也就可以知道水桶的横截面积.这个参数是由水容器自身性质决定的.同理，评价一个电容器，就应该通过它容纳电荷的本领来评价.电容器极板上的带电量就相当于水桶里水的体积，电容器的电容就相当于水容器的底面积，是由电容器自身的性质决定的，不随外界的改变而改变.就像水桶必须有高度才能储存水一样，必须在极板的两端给电容器提供外加电压，它才能储存电荷.在不同的电容器两极上加上相同的电压，由于自身的性质差异，它们储存的电荷量可能也有所差距.国际上统一规定，给电容器外加1伏特直流电压时，它所能储存的电荷量，为该电容器的电容量(即单位电压下的电量)，用字母C表示.

通过这个类比，学生们可以更加好的理解这个公式.

2.电容器充电的理解难点

把电容器的一个极板接电源的正极,另一个极板接电源的负极，两个极板分别带上了等量的异种电荷，这个过程叫电容器的充电.在这里会有同学有疑惑，为什么接电源的极板上的自由电子会移动到另外一个极板上呢？这是教师应该带领学生回顾电势差，电场力这一章节所学习的内容，融会贯通，引导学生进行思考.

有同学会对电容的充放电曲线产生疑惑，不能理解为什么在电容器两端刚开始接通电源时，电流达到最大值，而随着时间的增加电流却逐渐减小.为解释这个疑惑，教师需要仔细讲解充电的具体过程.实际上电流是由电荷定向移动形成.随着电荷的不断移动，电容器两极板上累积的电荷不断增加.当电容器两极板间累积的电荷所产生的电压等于电源电压时，由于两个电压的叠加作用，极板两端便不再存在电势差.电荷没有了驱动力无法移动，因此电流减小为零.电容器看起来是存储电荷，实质上储存的是电场能.充电后的电容器的两极板之间有电势差，存在电场，电能转化成电场能.

在演示电容的充放电时，老师常在课堂上采用静电计进行探究实验.但是由于静电计这个实验受到环境(例如空气湿度)，器材和教师个人实验操作技能等因素的影响很大，实验的成功率往往不高，会阻碍学生对这一知识点的理解.同时学生不了解静电计的工作原理，不明白实验现象的含义，这在一定程度上造成了认知障碍.因此这个传统的实验往往无法发挥它的作用.在这里，可以应用数字化平台DISLAB来优化实验，提高实验成功率.数字化实验平台可以通过电脑直观的反应电容的充放电过程，更有利于学生进行理解.

同时教师可以引导学生思考，电容器上的电压是否能突变.在充电和放电过程中，电容器两极板上电荷的聚集是一个累积过程，因此电压建立需要一定的时间而并不能突变.

3.电容器如何隔直通交

电容器具有阻止直流电流通过，允许交流电流通过的能力.许多同学对于电容器这一特性仅限于了解，而不能很好的解释电容器究竟是如何阻值直流通过，允许交流通过的.

事物内在的结构决定了它外在特性的表现.因此要理解电容器隔直通交的特性，首先要了解电容器的结构.电容器由两端的极板和中间的绝缘电介质构成.电容器通直流电后，极板迅速积累电荷，携带不同类型电荷的两个极板间形成电势差.虽然极板间有电场的存在，但由于中间的物质是绝缘的，电荷无法通过，因此整个电容器是不导电的，这就是通常说的隔直.

在交流电路中，电流的方向是随时间成一定的函数关系变化的.我们一般利用正弦函数表达正弦交流电：

U=Umaxsin(ωt+φ)(2)

由公式可看出，电容器两端的电压也和时间成一定的函数变化关系，这与直流电路有所不同.在直流电路中，两端极板的电荷累积到一定程度时，两极板间没有电势差，电荷没有了驱动力，不再移动.没有电荷移动则没有电流.但在交流电路中，电容器接入交流回路时，两极板的电势差在不断改变，电荷则不断有驱使它运动的驱动力.所以在充放电过程中，电容可以通过交流电流.实际上，电流是通过电场的形式在电容器间通过的，而不是一般意义上的电流.这一点对于学生来说也是十分不好理解的.

这个时候老师可以做一个延伸.任何物质都是相对绝缘的，当物质两端的电压加大到一定程度后，物质是可以导电的.使物质可以开始导电的电压称为击穿电压.电容也存在着击穿电压.电容被击穿后，中间的物质便不可以看做绝缘体处理了.但在中学阶段，题目中的电容器通常的工作电压都默认小于击穿电压.所以在题目中，学生在直流电路中遇到电容器，可以把它当做绝缘体处理.