“石英钟放电法”探究电容定义式

“石英钟放电法”探究电容定义式

江文艺,庞礼军*

贵州师范大学物理与电子科学学院 贵州贵阳 550025

摘 要：电容在中学物理教学中是一个重要而抽象的物理概念，教材一般采用比值定义法来定义电容。为了更好的培养学生物理学科核心素养，选择与生活紧密联系的器材——石英钟，开展实验探究电容定义式。通过实验研究发现：“石英钟放电法”中电容器规格大小和外加电源电压值都会对实验结论产生影响。为了使实验结论更准确，经过大量实验发现，实验时所选择的电容器规格大小最好小于4000uf，并且充电电压小于3.0v。

关键词：电容定义式；石英钟

1.引言

电容在中学物理教学中是一个重要而抽象的物理概念，教材采用比值定义法来定义电容。相比与旧教材人教版高中物理教材，新版人教版物理教材提供了详细的实验方案—“倍数法”探究电容定义式。虽然该方案简单容易操作，但笔者认为，“倍数法”实验过程仅重复简单的测量电容器两端的电势差，学生在实验过程中感到枯燥无味。物理来源于生活，最终也要走向生活，石英钟是一个与生产生活联系紧密的器材，能激发学生学习兴趣，感受物理与生活的联系，因此决定利用“石英钟”开展电容器定义式实验探究。

在已有研究的基础上，对不同规格的电容器进行实验，希望得到一个较大范围的可选择的电容器规格，为中学物理教师引导学生进行科学探究提供一定的教学参考，让学生采用不同规格的电容器通过自己亲自参与科学探究的过程获得一个较好的结果，进而让学生对电容定义式的理解更深入。

2.“石英钟放电法”的实验原理

石英钟是生活中一种普遍的计时器具，将充电完成的电容器与扣掉电池的石英钟连接形成一个闭合回路时，电容器会向石英钟放电从而驱使钟表转动。我们知道单位时间内通过导体横截面积的电荷量为电流，即I= 。电容器短时间放电过程中，放电电流视为恒定电流，则电容器所带电荷量Q=It,则电容器的电容表达式C=就可以转变为C=I ，由此得到探究电容器所带电荷量与极板间电势差的定值关系，就可以转换为探究秒钟从开始转动到停止，所经历的时间长短与极板间电势差的比值是否为一个定值。因为普通高中阶段该物理实验为一个定性实验，因此只要让学生通过实验探究能够收集数据，得到是一个定值即可，不需精确的测量出电容的具体值，因此该实验不需要测量放电电流的值。

3.实验器材选择

可调学生电源电压，不同规格大小的电容器（330uf、470uf、1000uf、2000uf、3000uf、4000uf、5000uf、6000uf）、双刀开关、工作电压为1.5v的石英钟、导线若干。

4.实验过程

用1.5v,2.0v，3.0v,4.0v,5.0v的电源电压分别对电容器充电，实际操作电路如图1所示。开关打1时，实现电容器充电。当开关打2电容器放电，并对电子钟供电使钟表指针开始转动，钟表秒针停止后，记录钟表走过的时间t，然后再换一个不同规格大小的电容器重复以上操作。实验无需测量放电电流的大小，根据实验数据总结t与U间的定量关系，从而间接得到电容器Q与U之间比值关系即可。

（图1.“石英钟放电”探究电容定义式实验）

5. 实验数据分析

为了使研究结论更形象直观，用t-u图表示8组秒针转动实践与极板间电势差的线性关系。

（图2.330uf电容器）                                 （图3.470uf电容器）

（图4.1000uf电容器）                                 (图5.2000uf电容器）

                (图4.3000uf电容器）                   

（图6.3000uf电容器）                                （图7.4000uf电容器）

           （图8.5000uf电容器）                                 (图9.6000uf电容器）

6.实验结论

若t-u图呈现出来的线性效果越好，说明采用该规格电容器所得的实验结论越准确。从图2到图9电容器放电时间随极板间电势差变化关系线性图可以发现，随着电容器规格的增大，其呈现的线性效果越差，并且随着外加在极板间电势差的增大，其线性关系也会开始出现偏差。因此我们可以得出结论：在“石英钟放电法”中，电容器规格大小和外加电源电压值会影响探究电容器所带电荷量与极板间电势差间的定值关系。

当电容器规格在4000uf以下，外加电源电压不超过3v的时候，电容器放电时间随极板间电势差变化关系线性图比较理想。因此为了获得相对准确的实验结论，在采用该实验进行探究的时候，所选择的电容器规格最好小于4000uf，并且充电电压小于3.0v，可以得到秒针转动时间与极板间电势差的比值为一个定值，即得到电容器所带电荷量与极板间电势差的比值为定值。

7.结论

“石英钟放电法”探究实验蕴含着“转换”科学思维，对培养学生物理科学探究能力有重要意义。从实践意义上来说，该实验操作简单有趣，适合用来开展学生实验。学生在实验中经历发现问题，提出问题，设计实验方案，开展实验，收集数据，交流讨论获得认知的过程。这种经历像科学家一样探索知识的过程，有效促进学生的探究能力和解决问题的能力，有助于培养学生在生活中的探索精神和实证精神。因此教师在教授电容定义式时，建议运用“石英钟放电法”引导学生开展实验探究，有效促进学生对电容定义式的理解和掌握。

参考文献：

[1]樊兰君.“电容器的电容”演示实验的设计制作[J].中学物理教学参考,2004(11)：36

[2]孙涛.基于DIS优化“电容器的电容”实验教学 设计[J].教育装备与研究，2019(8):83

[3]李兴.勾践进阶式实验链 彰显科学探究的内涵[J].中学物理教学参考,2019