對觀察電容器充放電現(xiàn)象實驗的探究

劉莉

摘 要：觀察電容器充放電現(xiàn)象是新課標要求的學生實驗，該現(xiàn)象是暫態(tài)過程，不易觀察。本文通過對電容器充放電過程的分析，明確可觀察的現(xiàn)象，就怎樣實驗才能觀察到相關現(xiàn)象提出了可行的實驗方法。

關鍵詞：電容器；充放電；實驗；方法

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）11-0006-2

觀察電容器充放電現(xiàn)象是現(xiàn)行高中物理教材中的一個演示實驗，新頒布的高中物理課程標準將其列為學生實驗。電容器充放電是一個暫態(tài)過程，過程時間短，實驗現(xiàn)象不易觀察，是實驗教學的一個難點。怎樣才能做好這個實驗？下面是筆者的一些思考和做法。

1 充放電過程分析

電容器充電是電容器儲存電荷的過程。如圖1所示的電路，開關S與1連接后，與電源正極相連的金屬極板上的負電荷經(jīng)電源向與電源負極相連的金屬極板移動，電容器的帶電量逐漸增加，極板間電壓逐漸增大，充電電流逐漸減小。當電容器極板間電壓增大到與電源電壓相同時，充電完畢，電流減小到零，與電源正極相連的金屬極板失去負電荷帶正電，與電源負極相連的金屬極板得到負電荷帶等量負電。

電容器放電是電容器釋放電荷的過程。充電后再把開關S與2 連接，負極板上的負電荷經(jīng)過燈泡不斷流向正極板與其上的正電荷中和，電容器的帶電量逐漸減少，極板間電壓逐漸減小，充電電流逐漸減小，直到電荷釋放完，電壓、電流減小到零。

從上面的分析可知，電容器在充放電過程中，隨著帶電量的變化，兩板間的電壓會變化，電路中的電流也會變化。實驗時若能讓學生觀察到電壓和電流的變化，并能通過觀察到的電壓和已知的電容器電容，由Q=CU判斷其帶電量的變化，不但可使學生對充放電過程有較好的理解，也可以提高學生觀察短暫物理過程的能力。

2 實驗方法探究

2.1 實驗方法1

要在實驗中觀察到電容器充放電過程電流和電壓的變化，可在圖1電路中連接電流計和電壓表。實驗時筆者選用4700 μF電容器，0-3-15 V電壓表，0-0.6 A-3 A電流表。按照圖2 所示電路做實驗，可以觀察到電壓表示數(shù)的明顯變化，但過程時間只有近4 s，很難觀察清楚電壓、電流的變化。

2.2 實驗方法2

根據(jù)電容器充放電過程的理論可知，串聯(lián)一個阻值較大的電阻，增大電容器的電容，使電阻的阻值和電容器的電容的乘積增大，可增長充放電的時間。因此，可以通過選擇電容較大的電容器和阻值較大的電阻串聯(lián)做實驗。

實驗時，筆者選用學生電源電壓直流9 V檔、4700 μF電解電容器，30 kΩ定值電阻、0-3-15 V電壓表和量程為300 μA的靈敏電流計，按照圖3所示電路做實驗。充電時間達到184 s，充電電流從280 μA逐漸減小到零，電容器兩極板間電壓從零逐漸達到穩(wěn)定值3.2 V。充電開始快，逐漸減慢，直至充電結束。很容易觀察到充放電時的電流和電壓隨時間的變化。

2.3 實驗方法3

上面實驗充電完后電容器兩端的電壓只有3.2 V，比電源電壓9 V小得多。分析電路可知，充電完畢后，由于電容器有隔直的作用，這時的電路相當于電阻與電壓表串聯(lián)后再接在電源上，電容器兩端的電壓等于電壓表兩端的電壓。由于電源內(nèi)阻較小，相對串聯(lián)的電阻和電壓表的阻值可忽略不計。電壓表15 V量程的內(nèi)阻一般有十多千歐，而串聯(lián)的電阻為30 kΩ，所以最后電壓只有3.2 V。

電容器儲存的電荷Q=CU，所以若要增加儲存的電荷，需要增大充電完后電容器兩端的電壓。在圖3電路結構不變和其他電路元件不變的條件下，只把電阻換成10 kΩ或20 kΩ的電阻做實驗，電壓可增大到4.0 V、5.6 V，但仍距電源9 V有較大差距，同時充電電流最大值超過電流計的量程。為解決這個問題，筆者選用數(shù)字萬用表做實驗，較好地解決了這個問題，充電近300 s電容器兩端的電壓可達到8.97 V。充電完后，把圖3的開關S撥到2，電容器放電。電容器兩端的電壓從8.97 V逐漸減小到零；電流反方向流動，逐漸減小到零。

通過以上分析與探究，筆者認為，為使實驗有較好的效果，實驗時電容器宜盡量選擇電容較大的電解電容，測電流和電壓最好用數(shù)字萬用表，外接電阻可選擇10 kΩ～50 kΩ的定值電阻。

需要注意的是，實驗時圖3電路中的電流計不能接成圖4的形式。若按照圖4進行實驗，充電完后，電流計不會減小為零，而是穩(wěn)定在一固定值。這是因為充電完后電流計測的是通過電壓表的電流，不會為零。

（欄目編輯 趙保鋼）