定量探究平行板電容器電容的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

陳 嶺 李鳳英

(鄒城市第一中學(xué),山東 濟(jì)寧 273500)

在教學(xué)實(shí)踐中,筆者通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案,有效地突破了上述實(shí)驗(yàn)的兩大難點(diǎn),現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)方案整理如下．

1 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)利用控制變量法,定量探究平行板電容器的電容與其極板正對(duì)面積和極板間距之間的關(guān)系,通過相同電容器的并聯(lián)實(shí)現(xiàn)其極板正對(duì)面積的改變,通過相同電容器的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)其極板間距離的改變．

2 實(shí)驗(yàn)器材

干電池,規(guī)格相同的鋁電解電容器5個(gè)(50 V,100 μF),電壓傳感器(一套),電腦(一臺(tái)),開關(guān)(5個(gè)),導(dǎo)線若干．

3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 鋁電解電容器A(電容設(shè)為C0,極板正對(duì)面積設(shè)為S0,極板間距離設(shè)為d0)充電后與電源斷開,設(shè)其所帶電荷量為Q,并依次與相同的且不帶電的電容器B、C、D、E并聯(lián),并聯(lián)后的電容器組可看作是僅改變了極板正對(duì)面積的等效電容器A′．實(shí)驗(yàn)通過倍增法來改變電容器A的極板正對(duì)面積S,實(shí)驗(yàn)電路圖如圖1所示．

圖1

實(shí)驗(yàn)具體步驟如下:

① 閉合開關(guān)S1,其他開關(guān)仍保持?jǐn)嚅_狀態(tài),學(xué)生電源給電容器A充電,通過電壓傳感器讀出A充電后兩極板間有電勢(shì)差U1,極板正對(duì)面積設(shè)為S,其所帶電荷量設(shè)為Q．

② 斷開開關(guān)S1,閉合開關(guān)S2,其他開關(guān)仍保持?jǐn)嚅_狀態(tài),電容器組極板正對(duì)面積變?yōu)?S,通過電壓傳感器記錄電容器A兩極板間的電勢(shì)差U2．

③ 依次閉合開關(guān)S3、S4、S5,其他開關(guān)的狀態(tài)仍保持不變,電容器組極板正對(duì)面積依次變?yōu)?S、4S、5S,通過電壓傳感器依次記錄A兩極板間的電勢(shì)差U3、U4、U5,

④ 將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表1中.

表1

⑤ 以電容C為縱軸,極板正對(duì)面積S為橫軸,做出其C-S圖像,如圖2所示．

分析圖像可得:在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi),平行板電容器的電容C與其極板正對(duì)面積S成正比．

該步操作的注意事項(xiàng):電源用1節(jié)1.5V干電池(新),實(shí)驗(yàn)中電鍵的閉合、斷開要快速,盡量減少電容器所帶電量的損失．

圖2

圖3

(2) 鋁電解電容器A(電容設(shè)為C0)依次與相同的且不帶電的電容器B、C、D、E串聯(lián),串聯(lián)后的電容器組可看作是僅改變了極板間距離的等效電容器A′．實(shí)驗(yàn)通過倍增法來改變電容器A的極板間距離d,實(shí)驗(yàn)電路圖如圖3所示．

實(shí)驗(yàn)具體步驟如下:

① 閉合開關(guān)S0、S2、S3、S4和S5,開關(guān)S1仍保持?jǐn)嚅_狀態(tài),電源給電容器A充電,通過電壓傳感器讀出A充電后兩極板間有電勢(shì)差UA1,其所帶電荷量記為Q1．

② 先斷開開關(guān)S0,再閉合開關(guān)S1,其他開關(guān)的狀態(tài)保持不變,讓電容器A完全放電．

③ 先斷開開關(guān)S1、S2,A與B串聯(lián)后等效電容器A′極板間距離為2d,再閉合開關(guān)S0,電源給等效電容器A′充電,通過電壓傳感器記錄電容器A兩極板間的電勢(shì)差UA2．

④ 先斷開開關(guān)S0,再閉合開關(guān)S1、S2,讓等效電容器A′完全放電．

⑤ 先斷開開關(guān)S1、S2、S3,A、B與C串聯(lián)后等效電容器A′極板間距離為3d,再閉合開關(guān)S0,電源給等效電容器A′充電,通過電壓傳感器記錄A兩極板間的電勢(shì)差UA3．

繼續(xù)重復(fù)以上過程,直到把所有電容器都串聯(lián)進(jìn)去．

⑥ 將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表2中

表2

續(xù)表

⑦ 以電容C為縱軸,極板間距離d為橫軸,做出其C-d圖像,如圖4所示．

圖4

表3

圖5

分析圖像可得:在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi),平行板電容器的電容C與其極板間距離d成反比．

該步操作的注意事項(xiàng):電源用3節(jié)1.5V干電池(新),實(shí)驗(yàn)中每次讓電容器放電的時(shí)間稍長(zhǎng)一點(diǎn),保證電容器的電荷量放凈．

綜上所述:在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi),平行板電容器的電容C與其極板正對(duì)面積S成正比;與其極板間距離d成反比．