创新电容实验　赋能物理教学

摘要

以高中物理电容器的充放电现象和电容概念的教学为基础，改进教材原型实验装置，即自制实验装置“电容探究实验仪”。该自制装置的优点表现为：利用发光二极管和数字电压表，实现电容器充放电时对电路中电流强度变化和电容器电压变化的观察；利用3个完全相同的电容器，实现对电荷量与电压关系的定量探究。设计基于“电容探究实验仪”的实验教学活动，可使学生直观地观察到电容器的充放电现象，便于学生探究电容器所带电荷量与电压的定量关系，从而提升电容概念的教学效果。

Graphical abstract

关键词

电容器 / 电荷量 / 电流 / 电压 / 物理教学

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》^［1］指出，教师可以对高中物理教材中的基本实验进行改进与创新，进而开发出“成本低廉、操作性强、现象明显”的物理创新型实验，以便更好地培养和发展学生的问题猜想、实验设计、创新实践、归纳总结等科学探究能力。

在电容器和电容概念的传统教学中，往往直接将电容器的充放电现象以及所带电荷量与电压成正比的结论告知学生，缺少电容这一物理概念的建构过程，学生缺乏直观的感知体验，自然难以理解电容概念。

为解决电容器充放电现象和电容概念教学的难点，笔者决定对教材原型实验装置进行改进设计，在此基础上自制“电容探究实验仪”并用于教学，获得了不错的教学效果。

1 电容探究实验装置的改进设计

电容器是高中物理教学中学生需要重点认识的元件之一，要求学生观察电容器的充放电现象以及充放电过程中电流、电压的变化特点，充分理解电容器两极板间电压与电荷量的定量关系。

教材实验通过电流表指针观察电容器的充放电现象，仅能观察到电流的强弱变化，知道电容器处于充放电状态，但无法观察到电容器两极板电势差的变化，存在一定的局限性。

在最新的人教版高中物理教材所展示的实验方案中，针对电容器两极板间电压与电荷量定量关系的探究，只能实现电荷量均分1/2、电压变为原来的1/2的特殊数据关系，得到的数据少且不具有普遍性。在实际教学过程中，不少教师考虑到实验操作较为烦琐，往往选择播放动画的方式进行教学，很少利用实验器材演示电容器的充放电实验过程。因此，采用结构简单、操作便捷、携带方便的实验探究仪器，有助于加强电容概念的教学效果。为此，笔者对教材实验装置加以改进，进而自制一款有针对性的装置。

笔者改进设计的“电容探究实验仪”的原理如图1所示，该自制装置能同时实现两个功能：一是利用发光二极管和数字电压表，实现实时观察电容器充放电时电路中的电流强度变化和电容器电压变化；二是采用3个完全相同的电容器并联均分电荷量的方法，巧妙避开了电荷量难以测量这一难题，从而满足定量探究电容器两极板电压与电荷量关系的实验要求。

2 “电容探究实验仪”的应用

根据电容探究实验原理，笔者自制一款“电容探究实验仪”实验装置（图略）^［2］。该实验装置既可用于观察电容器的充放电现象，也能定量探究电容器电荷量与电压的关系。

探究电容器电荷量与电压的关系有多种方案，笔者在课堂教学中仅展示两种效果显著的实验方案，其余方案留给学生课后研究，以便培养学生的发散性思维。

2.1 观察电容器的充放电现象

（1） 观察电容器的充电现象。

如图1所示，断开S₃，闭合S₁，将开关S₂掷于“1”位置，电流从电源E的正极依次流过红色二极管D₁和电容器C₁，此时红色二极管D₁会发光；电流最终回到电源负极，此时电容器C₁被充电。

在电容器充电过程中，观察数字电压表ⓥ示数的变化情况，分析电容器充电过程中电压的变化情况；观察红色二极管D₁的发光强度变化情况，分析电路电流的变化情况。利用二极管的单向导通性，可以判断出充电时电流的方向是沿着二极管的导通方向^［3］。

（2） 观察电容器的放电现象。

如图1所示，断开S₃，闭合S₁，将开关S₂掷于“2”位置，电容器C₁和电阻R、绿色二极管D₂组成闭合回路，电流从电容器C₁正极流过绿色二极管D₂，再流回电容器C₁负极，此时电容器放电。

在电容器放电过程中，观察数字电压表ⓥ示数的变化情况，分析电容器充电过程中电压的变化情况；观察绿色二极管D₂的发光强度变化情况，分析电路电流的变化情况。

利用二极管的单向导通性，可以判断出放电时电流的方向是沿着二极管的导通方向。当观察到绿色二极管D₂熄灭、数字电压表ⓥ示数为0时，说明电容器C₁已经完全放电。

2.2 定量探究电容器两极板间电荷量与电势差的关系

【方案1】断开S₃，闭合S₁，将S₂掷于“1”位置，此时电容器C₁被充电，直到数字电压表的示数为某一值时，停止充电，并把电容器C₁此时的带电量记作Q₀；将S₃掷于“3”位置，则两个完全相同的电容器C₃（C₂此时未接入电路）与电容器C₁并联在电路中，从而平分电荷量，即电荷量都变为原来的1/2，记录此时数字电压表的示数；将S₃掷于“4”位置，电容器C₃此时由于两端直接用导线连接，将迅速放电完毕；再次将S₃掷于“3”位置，电容器C₃会再次平分电容器C₁的电荷量，即电荷量都变为初始时的1/4，记录此时数字电压表的示数；重复上述实验步骤，可测得多组电荷量与对应电压的数据，处理数据，就能得到实验误差允许范围内电容器的电荷量Q与电压U成正比的关系。

【方案2】将插孔a用连接线与插孔b连接，初始时S₃断开、S₁闭合、S₂掷于“1”位置，则两个并联的电容器C₁、C₂被同时充电，当数字电压表的示数为某一值时，停止充电并把电容器C₁、C₂此时的带电量均记作Q₀；将S₃掷于“3”位置，电容器C₃与电容器C₁、C₂将平分电荷量，则电荷量都变为\frac{\mathrm{2}{Q}_{\mathrm{0}}}{\mathrm{3}}，记录此时数字电压表的示数；将S₃掷于“4”位置，由于电容器C₃两端直接用导线连接，将迅速放电完毕；再次将S₃掷于“3”位置，电容器C₃与C₁、C₂将再次平分电荷量，则电荷量都将变为初始时的4/9，记录此时数字电压表的示数；重复上述实验步骤，可测得多组电荷量与对应电压的数据，借助电容器电荷量与电压的关系图像，就能得出在实验误差允许范围内电容器电荷量Q与电压U成正比的关系。

【其他方案】在上述实验中，每次平分电荷量时都将插孔a与插孔b连接，每次放电时都将插孔b与接线柱4连接，就能使电容器C₁的电荷量依次变化为初始时的1/3、1/9、1/27等。

若在实验过程中控制充电时间，使得电容器C₁的初始电压为任意值，相当于改变了初始时电容器的电荷量Q，则还能测得更多组数据，实现从特殊数据到一般数据的探究，不仅探究过程严谨科学，而且实验结论具有说服力。

若将这些电容器全部换成电容不同的另外3个完全相同的电容器，据此探究不同电容器的Q/U特征，就可以实现对电容物理意义的探究。

3 基于“电容探究实验仪”的实验教学述评

3.1 对观察电容器充放电现象的述评

教师介绍“电容探究实验仪”的结构和主要功能，引导学生利用自制装置进行电容器的充放电实验。

学生观察实验现象，陈述实验结果，在教师的引导下分析、总结实验过程，最终实现了观察充放电现象的教学目标。节选的具体师生互动过程如下。

师：闭合S₁，将S₂掷于“1”位置，此时电容器充电，观察数字电压表示数如何变化？红色二极管D₁发光亮度如何变化？

生：观察到数字电压表示数逐渐变大，最终稳定在某一数值。同时，观察到红色二极管D₁的发光亮度逐渐变暗，最终熄灭。

【总结】在电容器充电过程中，两极板间的电压逐渐变大，充电电流逐渐变小，待电压稳定时电容器充电完成。另外，还能根据二极管的单向导通性判断出充电时电流从电源正极流回电源负极，且电容器上极板带正电、下极板带负电。

师：将S₂掷于“2”位置，此时电容器放电，观察数字电压表示数如何变化？绿色二极管D₂的发光亮度如何变化？

生：观察到数字电压表示数逐渐变小，最终变为0。同时，观察到绿色二极管的发光亮度先为最亮，但在放电过程中逐渐变暗，直至熄灭。

【总结】在电容器放电过程中，两极板间的电压逐渐变小，充电电流也逐渐变小，且电压为0时电容器完全放电；还可根据二极管的单向导通性，判断出放电过程中电流从电容器的正极板流回负极板。

引导学生进行电容器充放电实验探究活动，在观察现象的基础上分析并得出实验结论，能够培养学生观察电容器充放电现象和解释、交流电容器电荷量与电压关系等科学探究能力。

学生通过学习知道电容器充放电时电流、电压的变化规律，从而对电容器有了进一步的了解。

3.2 对定量探究电容器两极板间电势差与电荷量的关系的述评

为了更好地达成实验目标，教师先引导学生设计基于方案1的实验步骤，再由学生按照所设计的实验步骤进行实验，待实验结束后，由学生将采集的实验数据记录于表1中。

实验结束并不代表着教学的完结，教师需要组织学生以小组为单位展开讨论，可以在方案1的基础上总结并归纳出电容器两极板间电荷量与电势差成正比的关系。在此基础上，再组织学生对实验结论进行质疑，从而进行基于方案2的实验探究。

学生通过课中和课后的实验探究，认识到电容器电荷量与电压之比几乎为一定值，该比值反映了电容器本身的性质，这就为电容概念的学习埋下了伏笔，从而有助于教学的顺利展开。

在上述教学活动中，通过测出电容器不同状态下两极板间的电压值并进行数据处理，学生能够建立起对电容器与电容的直观感受，有利于对电容概念的理解，同时能培养学生搜集证据、解释交流等科学探究能力和严谨细致的科学态度和研究精神^［4］。

4 电容探究实验的教学总结

从传统教学的效果可以看出，电容器的充放电现象和电容概念的教学往往是课堂教学的难点之一，因此笔者通过对“电容探究实验仪”的创新制作和对“电容器电容”教学活动的优化设计（如把定量探究实验放在电容概念之前），就可以有效降低学生学习电容概念的难度，达到培养学生质疑创新思维和搜集证据、解释交流等科学探究能力的目的。

根据笔者的教学经验，在教学过程中，教师只要充分发挥“电容探究实验仪”的教学作用，就可以充分调动学生学习电容器、电容概念的兴趣。例如，发光二极管和数字电压表的应用能够使实验现象和数据关系达到形象直观的效果，既能够让学生对抽象的电容器充放电现象和电容概念产生更多的感性认识，又能够帮助学生更加深入地理解电容器、电容的概念，从而突破教学难点，达到满意的教学效果。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.

[2] 邓灏，刘明胜，张长周.电容器探究实验仪：CN216352961U［P］.2022-04-19.

[3] 肖飞燕.对“观察电容器的充、放电现象”实验的分析与建议［J］.物理教师，2023，44（01）：57-60.

[4] 郜攀，台运金.深度学习理念下的课堂教学实践：以“电容器的电容”为例［J］.物理教师，2023，44（06）：15-19.

基金资助

四川省教育学会2023年度教育科研规划课题“新课程背景下高中物理教学中创新实验的实践研究”(YB2023192)