自制电容器充放电演示器增强对电容器的作用的理解

孙莉

摘要：电容器有储存电荷的作用，在充电放电过程中电荷发生定向移动，形成短暂通电的过程，教材中利用电流计指针不同方向的偏转将这个过程展现了出来，自制教具改用直流电机和二极管也展现了充电和放电过程不同方向的电流。

关键词：自制教具;电容器;充电放电

1 背景

新一轮教材已经开始使用，教材中对实验教学更加重视。电容器作为身边常见的电子元件，教材中处理充电和放电过程实验的要求从原来的演示实验改为分组实验，目的是让学生通过实验操作观察两个过程中电流是不同方向的，对电容器在生活中作用也能有所了解。

2 电路的设计

教材中设计的电路如图所示，开关拨到1时给电容器充电，拨到2 时给电容器放电，通过观察电流表的指针偏转方向的变化判断两个过程电流方向的不同，观察电压表的读数寻找电容器两端的电压的变化规律。在实际操作过程中如果电容器容量不是很大，充电放电过程进行的很快，学生还没有反应过来，实验现象就已经结束了。还有电路中虽然有电阻保护，但要观察到明显现象，一般阻值都不太大，反复操作几次，电池消耗很快，不利于环保。

最初我设计了如图1将电容器与直流电机和两组二极管串联电路，充电和放电过程理论上可以观察到电机的转动和一侧二极管的点亮，并且转动逐渐变慢和亮度降低。但实际操作过程发现由于电机和二极管的工作电流并不匹配，两者并不能同时工作，所以改成图2形式的电路，两个按键开关分别控制电动机和二极管，观察在电容器充电以及放电过程中电动机的叶片转动方向和指示灯的亮暗，从而表明两个过程中电流的方向。

3元器件的选择

要使得实验效果明显，电容器的容量需要较大，市面上电解电容器的容量有几千微法，但是电解电容器中间的绝缘介质是铝箔浸在电解液中进行阳极氧化处理后生成的一层三氧化二铝薄膜，只有在电容器的正极接电源的正极，负极接电源的负极时，氧化铝膜才能起到绝缘介质的作用。如果将铝电解电容器的极性接反，氧化铝膜就变成了导体，在反向接通电压足够大时也会导通时。在多次比较之后，我选择了額定电压低为2.7V、容量为0.5F的法拉电容，充电时一般电池组就可以作为电源了。

电动机的功率不能太大，玩具里拆下来的小电动机就可以了。由于单个二极管连入电路时，电流可能会过大损坏二极管，我用了3个高亮二极管和一个小电阻并联。

实验过程中由于不停调试，操作频繁，电池组的电量很快就会消耗完，我利用一个充电宝作为电源，可以反复使用，也大大节约了成本。

4 实验改进目的

课堂教学中，教师告诉学生电容器是一种容纳电荷的容器，充电过程和放电过程可以通过电流计指针的偏转来判定电流的方向不同，对电容器容纳电荷的本领理解不深刻。仪器改进后，充电时，电动机叶片转动方向和一组二极管指示灯亮起表示电流的方向，还可以看到叶片旋转逐渐变慢以及二极管亮度减弱，也同时说明充电快完成时电流减弱，停留一会后将单刀双掷开关拨向另一侧，电动机叶片反向转动或者另一组二极管指示灯亮起，表明电流与刚才方向相反。

在后面学习电容器在交流电工作时会学到“隔直通交”这个概念，学生往往会以为直流电源就不能使电容器工作，通过实验操作观察电动机叶片旋转和二极管的发光能够体会充电放电过程电路中电流和能量的变化，其实直流电是指方向不变化的电流，但当电流大小在发生改变时，加在电容器两端的电压也在不停发生改变，电容器的充电和放电行为其实就一直在进行。只有在稳恒电压的情况下，电容器完成充电后两端电压与电源电压相等，不再进行充电和放电活动，平时所说的“隔直通交”仅仅是对稳恒电压而言，而稳恒电流只是直流电的一种，不能笼统地说电容器对直流电有隔断作用，实际应理解为“隔稳通变”，只要电容器两端电压发生变化，充放电就一直进行。

5演示效果

如图制作成演示教具面板，将复杂的接线全部放在面板后面，电源与接线柱相连，将单刀双掷开关接通准备给电容器充电，打开与小电动机串联的按键开关，叶片发生转动可以持续将近二十秒，转动的最后几秒可以清晰判断叶片转动方向，再将单刀双掷开关接通另一侧给电容器放电，观察叶片转动的方向，在其中两个叶片上涂上两种颜色，可以比较清晰的看到叶片转动的方向。关闭和电动机串联的按键开关，接通与二极管串联的开关，重复给电容器充电和放电的过程，利用二极管单向导通的特性判断电流方向，这个现象也能持续二十秒以上，留给学生足够的时间思考。

6小结

由于采用了身边常用的元器件进行工作，实验结束后可以拓展到超级电容器、电动汽车行业的工作，激发学生的学习热情，同时思考充放电过程的电流变化，以及回顾在刚才操作充电过程和放电过程中两段时间是否完全相同，不同的原因又是因为什么？在新一轮课改中特别要求对学生科学探究能力的培养，只有在具体实践中才能不断发现问题，解决问题，综合能力才会得到不断提升。

参考文献：

[1].沈金林.基于核心素养导向的物理实验教学思考 [J].物理教学，2018，40（11），23-26.

[2].中华人民共和国教育部编制.普通高中物理课程标准（实验稿）[S].北京;人民教育出版社，2018.