自制電容器充放電演示器增強(qiáng)對(duì)電容器的作用的理解

孫莉

摘要：電容器有儲(chǔ)存電荷的作用，在充電放電過(guò)程中電荷發(fā)生定向移動(dòng)，形成短暫通電的過(guò)程，教材中利用電流計(jì)指針不同方向的偏轉(zhuǎn)將這個(gè)過(guò)程展現(xiàn)了出來(lái)，自制教具改用直流電機(jī)和二極管也展現(xiàn)了充電和放電過(guò)程不同方向的電流。

關(guān)鍵詞：自制教具;電容器;充電放電

1 背景

新一輪教材已經(jīng)開始使用，教材中對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加重視。電容器作為身邊常見的電子元件，教材中處理充電和放電過(guò)程實(shí)驗(yàn)的要求從原來(lái)的演示實(shí)驗(yàn)改為分組實(shí)驗(yàn)，目的是讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作觀察兩個(gè)過(guò)程中電流是不同方向的，對(duì)電容器在生活中作用也能有所了解。

2 電路的設(shè)計(jì)

教材中設(shè)計(jì)的電路如圖所示，開關(guān)撥到1時(shí)給電容器充電，撥到2 時(shí)給電容器放電，通過(guò)觀察電流表的指針偏轉(zhuǎn)方向的變化判斷兩個(gè)過(guò)程電流方向的不同，觀察電壓表的讀數(shù)尋找電容器兩端的電壓的變化規(guī)律。在實(shí)際操作過(guò)程中如果電容器容量不是很大，充電放電過(guò)程進(jìn)行的很快，學(xué)生還沒有反應(yīng)過(guò)來(lái)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就已經(jīng)結(jié)束了。還有電路中雖然有電阻保護(hù)，但要觀察到明顯現(xiàn)象，一般阻值都不太大，反復(fù)操作幾次，電池消耗很快，不利于環(huán)保。

最初我設(shè)計(jì)了如圖1將電容器與直流電機(jī)和兩組二極管串聯(lián)電路，充電和放電過(guò)程理論上可以觀察到電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和一側(cè)二極管的點(diǎn)亮，并且轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸變慢和亮度降低。但實(shí)際操作過(guò)程發(fā)現(xiàn)由于電機(jī)和二極管的工作電流并不匹配，兩者并不能同時(shí)工作，所以改成圖2形式的電路，兩個(gè)按鍵開關(guān)分別控制電動(dòng)機(jī)和二極管，觀察在電容器充電以及放電過(guò)程中電動(dòng)機(jī)的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)方向和指示燈的亮暗，從而表明兩個(gè)過(guò)程中電流的方向。

3元器件的選擇

要使得實(shí)驗(yàn)效果明顯，電容器的容量需要較大，市面上電解電容器的容量有幾千微法，但是電解電容器中間的絕緣介質(zhì)是鋁箔浸在電解液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理后生成的一層三氧化二鋁薄膜，只有在電容器的正極接電源的正極，負(fù)極接電源的負(fù)極時(shí)，氧化鋁膜才能起到絕緣介質(zhì)的作用。如果將鋁電解電容器的極性接反，氧化鋁膜就變成了導(dǎo)體，在反向接通電壓足夠大時(shí)也會(huì)導(dǎo)通時(shí)。在多次比較之后，我選擇了額定電壓低為2.7V、容量為0.5F的法拉電容，充電時(shí)一般電池組就可以作為電源了。

電動(dòng)機(jī)的功率不能太大，玩具里拆下來(lái)的小電動(dòng)機(jī)就可以了。由于單個(gè)二極管連入電路時(shí)，電流可能會(huì)過(guò)大損壞二極管，我用了3個(gè)高亮二極管和一個(gè)小電阻并聯(lián)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于不停調(diào)試，操作頻繁，電池組的電量很快就會(huì)消耗完，我利用一個(gè)充電寶作為電源，可以反復(fù)使用，也大大節(jié)約了成本。

4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)目的

課堂教學(xué)中，教師告訴學(xué)生電容器是一種容納電荷的容器，充電過(guò)程和放電過(guò)程可以通過(guò)電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)來(lái)判定電流的方向不同，對(duì)電容器容納電荷的本領(lǐng)理解不深刻。儀器改進(jìn)后，充電時(shí)，電動(dòng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)方向和一組二極管指示燈亮起表示電流的方向，還可以看到葉片旋轉(zhuǎn)逐漸變慢以及二極管亮度減弱，也同時(shí)說(shuō)明充電快完成時(shí)電流減弱，停留一會(huì)后將單刀雙擲開關(guān)撥向另一側(cè)，電動(dòng)機(jī)葉片反向轉(zhuǎn)動(dòng)或者另一組二極管指示燈亮起，表明電流與剛才方向相反。

在后面學(xué)習(xí)電容器在交流電工作時(shí)會(huì)學(xué)到“隔直通交”這個(gè)概念，學(xué)生往往會(huì)以為直流電源就不能使電容器工作，通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作觀察電動(dòng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)和二極管的發(fā)光能夠體會(huì)充電放電過(guò)程電路中電流和能量的變化，其實(shí)直流電是指方向不變化的電流，但當(dāng)電流大小在發(fā)生改變時(shí)，加在電容器兩端的電壓也在不停發(fā)生改變，電容器的充電和放電行為其實(shí)就一直在進(jìn)行。只有在穩(wěn)恒電壓的情況下，電容器完成充電后兩端電壓與電源電壓相等，不再進(jìn)行充電和放電活動(dòng)，平時(shí)所說(shuō)的“隔直通交”僅僅是對(duì)穩(wěn)恒電壓而言，而穩(wěn)恒電流只是直流電的一種，不能籠統(tǒng)地說(shuō)電容器對(duì)直流電有隔斷作用，實(shí)際應(yīng)理解為“隔穩(wěn)通變”，只要電容器兩端電壓發(fā)生變化，充放電就一直進(jìn)行。

5演示效果

如圖制作成演示教具面板，將復(fù)雜的接線全部放在面板后面，電源與接線柱相連，將單刀雙擲開關(guān)接通準(zhǔn)備給電容器充電，打開與小電動(dòng)機(jī)串聯(lián)的按鍵開關(guān)，葉片發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)可以持續(xù)將近二十秒，轉(zhuǎn)動(dòng)的最后幾秒可以清晰判斷葉片轉(zhuǎn)動(dòng)方向，再將單刀雙擲開關(guān)接通另一側(cè)給電容器放電，觀察葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，在其中兩個(gè)葉片上涂上兩種顏色，可以比較清晰的看到葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。關(guān)閉和電動(dòng)機(jī)串聯(lián)的按鍵開關(guān)，接通與二極管串聯(lián)的開關(guān)，重復(fù)給電容器充電和放電的過(guò)程，利用二極管單向?qū)ǖ奶匦耘袛嚯娏鞣较颍@個(gè)現(xiàn)象也能持續(xù)二十秒以上，留給學(xué)生足夠的時(shí)間思考。

6小結(jié)

由于采用了身邊常用的元器件進(jìn)行工作，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可以拓展到超級(jí)電容器、電動(dòng)汽車行業(yè)的工作，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)思考充放電過(guò)程的電流變化，以及回顧在剛才操作充電過(guò)程和放電過(guò)程中兩段時(shí)間是否完全相同，不同的原因又是因?yàn)槭裁?？在新一輪課改中特別要求對(duì)學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，只有在具體實(shí)踐中才能不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，綜合能力才會(huì)得到不斷提升。

參考文獻(xiàn)：

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