电容器充放电演示实验的改进

摘要

在不同教材中，电容器充放电演示实验电路都有所不同。分析教材中实验设计的不足，利用发光二极管对此演示实验进行巧妙再设计，改进方案具有操作简单、现象明显、原理易懂等特点，能够大大提升实验的演示效果。

Graphical abstract

关键词

电容器充放电 / 演示实验 / 二极管 / 实验改进

在讲解高中物理的电容器一节时，教师一般会演示电容器充放电实验，该实验是建构“电容器的电容”这一物理概念的关键环节。

1 电容器充放电演示实验原设计的不足

粤教版教材演示电容器充放电现象的实验操作简单，通过小灯泡发光说明充放电过程中电路中有电流。但无法观察到充放电过程中电流的变化，且小灯泡的亮度非常弱、发光时间短。人教版教材实验方案相比粤教版有所改进，通过电表指针偏转来观察充放电过程的特点及电流的变化。但充放电过程十分短暂，电表指针的偏转不容易捕捉和观察；所用元件是分散的，实验前需现场组装，电路的可靠性难以保证，经常因电路接点锈蚀等原因导致实验时电路接触不良，从而影响实验效果^［1］。

2 电容器充放电实验的改进

2.1 实验器材

同规格发光二极管4支、4 700 μF电容器1只、双向开关1个、学生电源、导线若干。

2.2 实验电路

改进后的电容充放电实验电路如图1所示。

2.3 实验操作方法及现象

（1） 充电演示过程：打开电源（12 V），接通开关1、2，电路处于充电状态；闭合开关瞬间，二极管LED₁、LED₂发光，可知电容两极充电电流方向；随着充电电流的减弱，可观察到LED₁、LED₂的亮度逐渐减弱，说明电容慢慢充满电，直至充电完成，此时LED₁、LED₂熄灭。

（2） 放电演示过程：当充满电后，接通开关2、3，二极管LED₃、LED₄发光，表示电路中有放电电流流过，此时，电容C₁两极板间的电压随着储存电荷的逐渐减少而降低，同时二极管LED₃、LED₄的亮度逐渐变暗，说明电容慢慢放电。根据二极管的单向导电性，可判断出放电电流方向，直至电容两端电压为0时，LED₃、LED₄熄灭，放电结束。

3 电容器充放电演示实验改进优点

（1） 使用了4 700 μF的大电容，延长了实验时间，更加方便学生观察电容器充放电过程。

（2） 用发光二极管代替小灯泡，解决了小灯泡亮度不明显所造成的观察不到的问题，且发光二极管的寿命比小灯泡长^［2］。使用发光二极管，还有利于学生观察电容器充放电时电路中的电流方向。

（3） 实验装置课前已经组装好，携带方便，直接带进教室，一键开关演示即可。

（4） 实验操作简单、安全，实验现象明显，原理简单易懂。学生对电容充放电过程及充放电时电流方向有了更直观的认识，印象深刻，能够激发学生的求知欲望。

参考文献

[1] 吕守明，吴志红.“观察电容器的充放电现象”实验的改进［J］.实验教学与仪器，2021，38（09）：25-26.

[2] 陈冰.电容器充放电实验的改进［J］.考试周刊，2017（61）：147-148.