研制平行板電容器決定式演示儀定量研究電容大小的影響因素

尤燕 丁永文

摘 要： 通過對(duì)人教版高中物理選修3-1中“研究影響平行板電容器電容大小的因素”中的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行分析，制作了平行板電容器決定式演示儀，使學(xué)生能定量地、直觀地感受平行板電容器的電容值與兩極板間距、極板正對(duì)面積、介質(zhì)介電常數(shù)的關(guān)系，加深對(duì)平行板電容器的理解.

關(guān)鍵詞： 演示儀;平行板電容器;影響因素;介電常數(shù)

文章編號(hào)： 1008-4134（2019）23-0036 ? ? 中圖分類號(hào)： G633.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 平行板電容器演示裝置的不足

人教版高中物理《物理選修3-1》中第一章第八節(jié)介紹了電容器的相關(guān)知識(shí).教材內(nèi)容提到了“研究影響平行板電容器電容大小的因素”演示實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示，該裝置通過靜電計(jì)指針的變化得知兩極板板間電勢(shì)差的變化，根據(jù)電勢(shì)差的變化判斷電容的變化，雖然該實(shí)驗(yàn)裝置幫助學(xué)生理解物理概念，但是實(shí)驗(yàn)裝置在進(jìn)行操作和實(shí)驗(yàn)結(jié)論得出的過程中存在一些不足之處[1]：第一，實(shí)驗(yàn)裝置是利用靜電計(jì)，因此要求實(shí)驗(yàn)環(huán)境極高，圖1（a）和（b）改變正對(duì)面積和兩板間的距離，一般課堂上很難看到靜電計(jì)的偏角發(fā)生明顯變化，演示效果不明顯;第二，實(shí)驗(yàn)無法對(duì)極板間距、正對(duì)面積等進(jìn)行定量測(cè)量，只能通過觀察靜電計(jì)偏角大小來間接反映電容器電容的變化，因此，實(shí)驗(yàn)只能是定性描述.定性研究的前提是電容器兩極板帶電量Q值恒定，而這一點(diǎn)在實(shí)際操作中很難保證;第三，學(xué)生對(duì)靜電計(jì)工作原理的理解存在很大困難，增加了學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)的理解難度.

2017版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》以促進(jìn)學(xué)生發(fā)展為導(dǎo)向， 將育人作為出發(fā)點(diǎn)， 并在課程標(biāo)準(zhǔn)中明確學(xué)科核心素養(yǎng)，物理學(xué)科核心素養(yǎng)首要是物理觀念[2，3].高中學(xué)生已經(jīng)具備一定的分析推理和邏輯思維能力[4]，高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)是培養(yǎng)與訓(xùn)練學(xué)生動(dòng)手操作能力與創(chuàng)造性思維能力的重要途徑[5].本文利用螺旋測(cè)微器、滑塊、軌道、鋁板以及數(shù)字電容表制作成儀器，實(shí)現(xiàn)了精密的定量測(cè)量，通過平行板電容器兩極板間距和兩極板正對(duì)面積的精密測(cè)量，讀取每種條件下電容器的電容值，調(diào)動(dòng)學(xué)生的好奇心和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，激發(fā)科學(xué)探究的興趣，理解物理概念充分，設(shè)計(jì)思路清晰，得出正確的結(jié)論.

2 演示儀的設(shè)計(jì)與制作

2.1設(shè)計(jì)原理

2.2 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，用兩塊鋁板制作平行板電容器.設(shè)計(jì)思路如圖2所示.一塊鋁板固定在螺旋測(cè)微器上，另一塊鋁板固定在滑塊上，通過調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微器改變兩極板之間的距離，研究電容與極板間距的關(guān)系.通過在軌道上移動(dòng)滑塊改變兩極板正對(duì)面積，為了更加清晰地觀察兩極板間正對(duì)面積的變化，在鋁板上畫上等分線，研究電容與極板正對(duì)面積的關(guān)系.在兩極板間插入不同介質(zhì)板，研究電容與介質(zhì)介電常數(shù)的關(guān)系.電容值用數(shù)字電容表測(cè)量，可以得出具體的數(shù)值關(guān)系，實(shí)現(xiàn)定量分析.

2.3 設(shè)計(jì)材料與實(shí)驗(yàn)過程

本裝置需要大木板1塊、小木塊2塊、螺旋測(cè)微器1個(gè)、鋁板2片、電介質(zhì)平板2塊、電容表1個(gè)、導(dǎo)線2根、螺柱2個(gè).平行板電容器決定式演示儀實(shí)物圖如圖3（a）所示.

具體實(shí)驗(yàn)過程如下：

（1）保持兩極板間的正對(duì)面積不變，調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微器使兩極板的不同間距時(shí)，觀察電容表的示數(shù)，如圖3（b）所示.

（2）在電容器兩極板上畫上等分線，研究電容與極板正對(duì)面積的關(guān)系，通過移動(dòng)滑塊使正對(duì)面積不同時(shí)，觀察電容表示數(shù)，如圖3（c）所示.

（3）向兩極板間插入其他電介質(zhì)的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)電容表的示數(shù)發(fā)生變化，如圖3（d）所示.

2.4 演示儀的優(yōu)點(diǎn)

平行板電容器決定式演示儀，儀器簡(jiǎn)單，容易操作，靈敏度、穩(wěn)定性較高，能夠達(dá)到新奇的演示效果，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)的積極性，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，不僅培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，更重要的是引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力.

本裝置設(shè)計(jì)亮點(diǎn)有：一是利用螺旋測(cè)微器結(jié)構(gòu)與平行板電容器兩極板的有機(jī)結(jié)合，通過調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微器實(shí)現(xiàn)平行板電容器兩極板間距變化的精密測(cè)量;二是通過滑塊解決了兩極板正對(duì)面積的定量變化;三是用電容表直接測(cè)量平行板電容器的電容值，由于不需要給電容器帶電荷，因此實(shí)驗(yàn)不受環(huán)境條件影響.

3 演示儀在教學(xué)中的應(yīng)用

演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合平行板電容器的定義式，觀察實(shí)驗(yàn)過程，依據(jù)儀器設(shè)計(jì)原理，首先保持兩極板間的正對(duì)面積3S不變，未加任何電介質(zhì)，調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微器使兩極板間距為5mm，通過電容表讀數(shù).調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微器使兩極板間距分別為7mm、9mm、11mm、13mm、15mm，讀取的電容值計(jì)入表1.保持兩極板間的正對(duì)面積3S不變，添加電介質(zhì)，重復(fù)上述過程再次記錄數(shù)據(jù).

保持兩極板間不添加電介質(zhì)，調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微器使兩極板間距為11mm時(shí)的正對(duì)面積分別是3S、2S、S時(shí)電容表讀數(shù).調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微器使兩極板間距為13mm時(shí)，重復(fù)上述過程，電容值見表2.

通過學(xué)生觀看測(cè)量數(shù)據(jù)使其對(duì)平行板電容器決定式有了更深刻的理解和認(rèn)識(shí)，突出螺旋測(cè)微器在本實(shí)驗(yàn)中的精密測(cè) 量，將抽象的物理公式，用實(shí)驗(yàn)裝置展示在學(xué)生面前，使學(xué)生身臨其境感受平行板電容器決定式的原理.該裝置簡(jiǎn)單容易操作、靈敏度、穩(wěn)定性較高，能夠達(dá)到新奇的演示效果，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)的積極性，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，使學(xué)生在觀察演示實(shí)驗(yàn)的過程中，逐漸形成一種敏銳的觀察能力，使學(xué)生在觀察實(shí)驗(yàn)的同時(shí)思考平行板電容器的工作原理及其用途，加深了學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的學(xué)習(xí)與理解.

參考文獻(xiàn)：

[1]馬順存.對(duì)平行板電容器實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2018，38（08）：63-64.

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[3]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[4]張鵡.論可視化教育理論與高中物理教學(xué)創(chuàng)新[J].物理教師，2018，39（12）：23-25+29.

[5]卞望來.創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)教學(xué) 培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)[J].物理教學(xué)，2019，41（02）：25-27.

（收稿日期：2019-09-14）