湯 勇

(安徽省寧國(guó)中學(xué) 安徽 宣城 242300)

平行板電容器是一種電容器的常見(jiàn)結(jié)構(gòu),它由兩個(gè)平行的金屬板組成,中間有一層絕緣材料.由于電容器的特性,它可以用來(lái)存儲(chǔ)電荷,并在需要時(shí)釋放出來(lái).平行板電容器的動(dòng)態(tài)行為受到電容器的特性和外部環(huán)境的影響.電容器的特性決定了它的電容,其中影響因素包括正對(duì)面積S、板間距離d以及介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr.外部環(huán)境,如電壓、電流等,也會(huì)影響電容器的動(dòng)態(tài)行為.但同時(shí)也要考慮到電容大小及外界電阻會(huì)影響到它的充放電速率.很多題目就是忽略了它的充放電速率對(duì)題目的影響.

1 題目原型

如圖1所示,兩塊較大的金屬板A、B相距為d,平行放置并與一電源相連,S閉合后,兩板間恰好有一質(zhì)量為m、帶正電荷量為q的油滴處于靜止?fàn)顟B(tài),若將A向左平移一小段位移,則油滴將做怎樣的運(yùn)動(dòng)?

圖1 原題圖

2 解法探究

原解析：對(duì)于平行板電容器,有

(1)

由式(1)可知,A向左平移一小段位移會(huì)使S減小,C減小.

F電=Eq知,F電不變.故粒子仍然保持靜止的狀態(tài).但事實(shí)真的如此嗎?

3 提出問(wèn)題

4 追根溯源

首先由式(1)可知,A向左平移一小段位移會(huì)使S減小,C減小,這二者是同步發(fā)生的.

因此考慮到充放電速率對(duì)題目的影響,需要對(duì)原題進(jìn)行改進(jìn).

5 改進(jìn)和拓展

(1)試題改進(jìn)

上述題型確實(shí)是一道經(jīng)典題型,雖然不夠嚴(yán)謹(jǐn),但只要稍微加一點(diǎn)限制條件,也能成為一道經(jīng)典好題,改進(jìn)如下:

如圖1所示,兩塊較大的金屬板A、 B相距為d,平行放置并與一電源相連,S閉合后,兩板間恰好有一質(zhì)量為m、帶電荷量為q的油滴處于靜止?fàn)顟B(tài),若將A向左平移一小段位移,則油滴將做怎樣的運(yùn)動(dòng)?(電容器充放電時(shí)間極短)

點(diǎn)評(píng)：電容器充放電時(shí)間極短,說(shuō)明平行板電容器兩端電壓大于電源兩端電壓的時(shí)間可以忽略不計(jì),可以認(rèn)為平行板電容器兩端電壓始終等于電源兩端電壓.這樣就可以把一道有爭(zhēng)議的題目變成一道嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕?jīng)典好題,也避免了一部分優(yōu)秀學(xué)生因?yàn)樗伎技?xì)致而失分的情況.

(2)試題拓展

如圖2所示,兩塊較大的金屬板A、B相距為d,平行放置,與定值電阻R串聯(lián)后與一電源相連,其中R的阻值很大,S閉合后,兩板間恰好有一質(zhì)量為m,帶正電荷量為q的油滴處于靜止?fàn)顟B(tài),若將A向左平移一段位移,則油滴將做怎樣的運(yùn)動(dòng)?

圖2 拓展題圖

點(diǎn)評(píng)：加入一個(gè)大阻值的定值電阻后,會(huì)增大對(duì)電流的阻礙作用,延長(zhǎng)平行板電容器充放電時(shí)間.這樣就把原題變成了一道較難的題目,學(xué)生只有充分理解平行板電容器充放電的工作原理、電流的定義、牛頓第二定律等知識(shí),才有可能完成該題.

6 總結(jié)

平行板電容器的動(dòng)態(tài)分析題型是高中物理的常見(jiàn)題型,但不少命題人在命制試題時(shí)容易忽略平行板電容器的充放電速率對(duì)題目的影響,存在科學(xué)性錯(cuò)誤,命制的題目經(jīng)不起嚴(yán)格的推敲.物理試題的命制要符合實(shí)際,具有科學(xué)性、有效性,這樣才能有效培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng).