自制電容器開啟探究之旅

黃俊銘 朱凱建 李浩

在學(xué)習(xí)電容器構(gòu)造、電容器充放電、影響電容大小的因素等知識后，我們發(fā)現(xiàn)電容器種類繁多，外形“千奇百怪”。既然任何兩個彼此絕緣又相隔很近的導(dǎo)體，都可以看成一個電容器，那么自己動手制作一個電容器應(yīng)該不難吧。

于是我們成立了研究小組，開啟了自制電容器的探究之旅。

一、自制電容器

（一）平行板電容器

教材中介紹的平行板電容器由兩塊平行鋁板構(gòu)成，如圖1（a）。然而，鋁板不易得，所以我們改用易得的錫箔紙、A4紙、飲料瓶等。

我們將錫箔紙固定在A4紙表面，制成極板，再在兩塊極板之間夾一張A4紙，制成簡單的平行板電容器，如圖1（b）。

（二）管狀電容器

在平行板電容器的基礎(chǔ)上，將其卷成管狀，并從兩塊極板引出導(dǎo)線，制成管狀的電容器。制作這種電容器的材料與平行板電容器一樣，但更節(jié)約空間，如圖1（c）。

（三）瓶狀電容器

受課后習(xí)題“電容器可測液體高度”的啟發(fā)，我們用飲料瓶、錫箔紙和金屬絲等材料制作了一個特別的電容器：在塑料瓶外包裹一層錫箔紙，瓶內(nèi)有一根金屬絲穿過瓶蓋，與蓋上用錫箔紙做的小球相連，并往瓶內(nèi)加入電解質(zhì)溶液，如圖1（d）。

二、測量自制電容器的電容

使用數(shù)字多用表測量自制電容器的電容大小。每種電容器分別在不同位置共測量6次，得到6組數(shù)據(jù)，取平均值，平行板、管狀、瓶狀電容器的電容值分別是2.84 nF、6.70 nF、1.35 nF。

測量結(jié)果顯示：瓶狀電容器的電容最小，管狀電容器的電容最大。有趣的是，制作管狀電容器與平行板電容器的材料一致，管狀電容器的電容卻明顯較大。對此，我們討論推測，這是因為兩塊極板之間的距離相同，而管狀電容器中兩塊極板的重疊面積大于平行板電容器的，根據(jù)電容的決定式，正對面積增加，則電容變大。

我們還意外發(fā)現(xiàn)，在測量管狀電容器的電容過程中，如果用手按壓電容器，數(shù)字多用表的示數(shù)會變大！重復(fù)操作幾遍，結(jié)果依然如此。經(jīng)過討論我們認為，該電容器的正對面積沒有改變，用手按壓電容器這個行為很有可能令兩塊極板間的距離減小，導(dǎo)致電容變大。

發(fā)現(xiàn)問題并能用所學(xué)知識解釋現(xiàn)象、解決問題，這樣的體驗讓我們很興奮，很有成就感！

三、探究影響平行板電容器電容的決定因素

實驗采用控制變量法，分別探究平行板電容器的相對面積與相對距離對電容的影響。

（一）實驗1：保持兩塊平行板距離d不變，改變相對面積S

將平行板電容器上的極板分為9等分，上下兩塊極板重合時，相對面積記為9S，將上極板往左移動一格，則相對面積變?yōu)?S，由此實現(xiàn)面積的定量改變。用萬用表記錄電容數(shù)據(jù)，如表1所示。

利用Excel表格處理數(shù)據(jù)，以電容均值為y軸，兩板相對面積為x軸，獲得兩者的散點圖。通過連線發(fā)現(xiàn)，在誤差允許范圍內(nèi)，是一條過原點的直線，如圖2，說明電容與兩板相對面積成正比。

（二）實驗2：保持兩平行板相對面積S不變，改變板間距離d

將平行板電容器上下兩塊極板重合，保持相對面積為9 S不變，在兩塊極板之間分別放入厚度相同的書籍，放入一本，板間距離記為1 d，放入兩本，記為2 d，以此類推，實現(xiàn)板間距離的定量改變。用萬用表記錄電容數(shù)據(jù)，如表2所示。

利用Excel表格處理數(shù)據(jù)，以電容均值為y軸，板間距離d為x軸，獲得一條類似反比的曲線，如圖3（a），由此，推測電容與板間距離成反比，但這條曲線無法準確說明反比關(guān)系。我們轉(zhuǎn)換思路，以電容的倒數(shù)為y軸，板間距離為x軸，得到一條過原點的直線，如圖3（b），這說明電容的倒數(shù)與板間距離成正比，即電容與板間距離成反比。

通過自制的電容器，我們從定量的角度驗證了電容的決定式，并在課堂上展示給其他同學(xué)看，幫助大家更深入地理解這個公式，我們覺得很有成就感！

四、探究感想

經(jīng)過本次實驗，我們感觸良多。實踐探究比理論復(fù)雜得多，理論學(xué)習(xí)是回顧前人總結(jié)好的知識，而在實踐探究中，我們面對的是最真實、最原始的現(xiàn)象，需要細心地探索、處理數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。將課堂上學(xué)習(xí)的知識與實際生活聯(lián)系起來，能解釋生活中的一些現(xiàn)象。

創(chuàng)新探究活動增強了我們的動手實踐能力，提高了團隊協(xié)作能力，培養(yǎng)了我們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的科學(xué)思維。在高中生活中，這種提升自我能力的機會十分寶貴，我們一定會秉承實事求是、刻苦鉆研的科學(xué)精神，在往后的學(xué)習(xí)和生活中繼續(xù)開展實踐探究，不斷提升自我。（指導(dǎo)老師：李子根）

（欄目編輯? 秦銀銀）