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基于数字化技术应用于物理教学的研究——“电容充放电”的案例研究

发表时间：2021/9/7 来源：《教育研究》2021年10月上作者：刘娟

[导读] 本文是利用数字化技术——传感器对电容充放电研究的一个实例。通过电流传感器和电压传感器对电容的充放电以及电容大小的直观教学进行了分析和研究。

贵阳一中物理组刘娟

摘要：本文是利用数字化技术——传感器对电容充放电研究的一个实例。通过电流传感器和电压传感器对电容的充放电以及电容大小的直观教学进行了分析和研究。
关键词：电容器电容传感器
        1、电容的充放电是一个典型的暂态过程，在传统条件下，用灵敏电流计做实验。
        1.1传统实验的不足：只能看到某些现象，不能看到和测量电容充电和放电时电流和电压的变化过程，对于过程有什么规律，更难以探究。
        1.2利用电流传感器改进。基于以上的不足，人教版课本引进了数字化实验系统来克服这一缺点。将传统实验中的灵敏电流表换成里电流传感器，通过计算机，即可显示出电流随时间的变化图像。
        2、利用传感器的对电容充放电的完善
        既然电流传感器的使用能够描绘出通过电容的电流与时间的关系，同样的，电压传感器的使用也就能描绘出通过电容的电压与时间的关系。因此，笔者对课本实现进行了完善，将电流传感器与电压传感器结合起来，共同研究电容充放电规律，通过分析图像，引入电容这一重要的概念。
        2.1 实验器材
        100电解电容器、1000电解电容器、电阻箱、单刀双掷开关，6～12V稳压电源、电流传感器、电压传感器
        2.2 实验原理
        当开关S与a相连时，电容器充电，当S与b相连时，电容器放电。充、放电过程的电流都按照指数规律变化，即。充电过程电压的变化规律：；放电过程电压的变化规律为。
        2.3 实验步骤
        （1）将100电解电容器接入电路中。
        （2）将电流传感器和电压传感器接入“朗威DISLab”数据采集器的输入口。
        （3）打开通用扩展软件，在“组合图像”中设置“电流-时间”图像和“电压-时间”图像。
        （4）点击开始按钮。开始记录图像。
        （5）先将开关S与a接通，电容器充电，约数秒；
        （6）再将开关S与b接通，电容器放电。得到图像。
        （7）按保持图像按钮，将图像保存。
        （8）换用1000电解电容器，重复上述实验。
        2.4 实验结果图

        2.41两种不同电容的比较
        分析：比较两图，我们可以显而易见的看到，1000电容下的图像，电流与时间的图像易于观察，在教学中作为演示实验，更加易于教学。因此，在实验仪器的选取上，笔者建议选择电容量大的电容。其原理解释，我们就可以通过充放电电流与时间的指数规律来看，电容C越大，所需要的充电和放电时间就越大。这样就易于实验图像的采集。而从另一个角度考虑，电容大，其充放电电流与x轴所包围的面积也大。这时，在教学过程中，就可以进一步向学生提出，这里的面积代表什么？为引入电容这一概念埋下伏笔。
        2.5数据处理和结果
        利用朗威DISLab软件的积分功能，引入电容的概念，求出具体的电容器的电容。具体做法是用积分求出电容充、放电曲线与横轴、纵轴所围成的面积，就得到充、放电的电量Q，再计算比值，建立电容的概念。图为电容量为1000电容器做积分后的图像        3、利用积分功能，得到充、放电电量Q。
      3. 同一电容器（标准值容器）在不同电压下。如表1。

        由数据分析，我们可以看出，在实验误差允许的范围内，对于同一个电容器，Q/U是一个固定不变的值。
        【实验反思】
        笔者认为，此改进实验有以下优点：
        1、将电压传感器与电流传感器相结合，通过同一个坐标表示，可以很好的让学生观察到电容充放电的规律，便于理解。
        2、利用软件的积分功能，从实验数据出发，得当的引入电容这一概念，帮助学生更好的理解。
参考文献
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