定性与定量探究平行板电容器影响因素的创新实验设计

2022-12-08丁良峰

物理教师 2022年11期

丁良峰

（南京师范大学苏州实验学校，江苏苏州 215021）

科学探究是解决自然问题的一种思维方式.物理教学应基于实验观察探究、构建物理模型，借助数学工具，通过推理和论证，形成对物理知识的科学认识，领悟科学的本质.通过实验可以激发学生的学习兴趣，培养观察能力、探究能力、思维能力，提升科学素养.为使学生能更好地探究物理知识，教师要在教学过程中优化实验设计，创新演示实验，改善探究实验效果，科学建构物理概念，形成科学理解.本文以“定性与定量探究平行板电容器电容大小的影响因素”为例，介绍基于物理学科核心素养培养的创新实验探究.

1 研究背景

人教版高中物理选修3-1第1章第8节“电容器的电容”有“研究影响平行板电容器电容大小的因素”演示实验.常用的实验器材（如图1所示）是两片圆形金属板构成的平行板电容器、验电器、起电机及导线等.在实验室通过起电机给电容器充电，改变两极板之间的距离和正对面积来改变电容大小，观察验电器中指针偏转的夹角来说明电容器相关的因素.这样的演示实验设计存在不足.

图1

（1）它是利用静电计指针偏角的大小来表示两极板间的电压大小，灵敏度不高，只能定性说明问题.

（2）电容器的两个极板是圆形平板，难以实现定量改变极板间的距离及正对面积.

（3）该实验操作在空中移动另一极板，容易抖动，致使电容大小不稳定.

（4）该实验是要求电容器先带上电荷，它受空气环境等因素影响容易漏电而影响实验结果，且该实验还需要感应起电机来使平行板电容器带电，操作起来比较麻烦.

鉴于以上的问题与不足，笔者结合劳动技术实践，创新设计一款可以进行定性与定量探究平行板电容器影响因素的实验装置.

2 研究设计

2.1 研究目标

（1）实现定性实验研究.可以通过移动的方式定量地改变两极板之间的距离和正对面积进行实验研究.

（2）可以连接验电器或数字电容表进行实验，实现定性研究及定量测量电容的大小.

（3）控制两极板之间的距离d、正对面积S以及改变介质，进行定量探究平行板电容器的影响因素.

2.2 研究设计

定性与定量探究平行板电容器影响因素的实验装置主要分为定性探究区、定量探究区及控制接线区，设计图如图2所示.

图2 平行板电容器探究实验平台

（1）定性探究区：水平移动左侧的极板可以改变板间距离，上下移动右侧极板可以改变正对面积，进行定性探究电容的变化.

（2）定量探究区：分别设计两极板之间的距离d、正对面积S以及改变介质，进行定量实验.

① 两极板面积为10 cm×40 cm，极板的间隔分别为1 cm、2 cm、3 cm、4 cm、5 cm.

② 极板间距为3 mm，不同正对面积分别为2 cm×40 cm、4 cm×40 cm、5 cm×40 cm、8 cm×40 cm、10 cm×40 cm.

③ 极板间距为1 mm，正对面积为10 cm×10 cm，介质分别为：云母片、石蜡纸、塑料板、空气.

2.3 材料与工具

材料：亚克力板、锡箔胶带、船型开关、云母片、石蜡纸、导线、接线柱、亚克力胶.

工具：激光雕刻机、电烙铁、注射器、数字电容表、螺丝刀、斜口钳.

2.4 制作过程

（1）使用Lazer CAD设计，并使用激光雕刻机加工亚克力板（图3）.

图3

（2）按照设计要求将锡箔胶带粘贴在亚克力板上，构成电容器极板图，如图4所示.

图4

（3）将贴有锡箔胶带的极板固定在底座上，安装并连接开关如图5所示，最终完成制作.图6为整体的实验装置.

图5

图6

本实验装置是一个一体化的实验平台.通过开关控制选择与电容表相连的极板，从而进行不同的实验探究.在定性探究区域，可以通过水平和竖直移动极板进行实验；在定量探究区域，分别连接开关，可以控制不同间距、面积或介质的极板进行实验.

3 实验探究

科学探究可以提升学生的科学思维.在平行板电容器电容大小影响因素探究的实验中，定性实验可以让学生形成初步的认识.定量探究电容器大小与极板间距离、正对面积和不同介质这些物理量之间关系时，需要控制变量进行逐一探究，再经历分析、推理，形成科学认识.整个实验探究的过程中蕴含的科学思想和科学方法揭示事物间的内在联系.实验如图7所示.

图7

3.1 定性实验

将数字电容表连入电路，接通定性探究开关，研究定性探究区域的两极板之间的距离和正对面积与电容之间的关系.

（1）观察两极板距离与电容大小之间的关系.在水平方向移动左侧极板，观察电容表数值变化，可以观察到随着两极板之间距离变大，数值由大变小.

（2）观察两极板正对面积与电容大小之间的关系.拉动右侧极板，改变正对面积，可以观察到随着正对面积的减小，电容表数值由大变小.

通过水平和竖直移动极板，实现了对影响电容器电容大小因素的初步探究.水平移动极板时，板间距离越大，电容值越小；竖直移动极板时，两极板正对面积越小，电容值越小.通过这些现象让学生直观了解到影响电容器大小的因素，形成概念认知.

3.2 定量实验

将数字电容表连入电路，定量探究两极板之间的距离、正对面积及不同介质与电容之间的关系.由于开关和导线均连入电路，在未接通开关时，导线和开关之间也构成电容器，其电容值为54.1 p F.

（1）定量探究两极板距离与电容大小之间的关系.依次接通两极板之间距离分别为1 cm、2 cm、3 cm、4 cm、5 cm的开关，记录电容表的读数如表1所示.对表1中电容的实际值与两极板之间距离的倒数1／d进行分析，可得出两极板之间距离与电容之间的关系，如图8所示.

表1 两极板之间距离与电容之间的关系

图8 两极板之间距离与电容之间的关系

实验结论：电容的大小与两极板之间距离成反比例关系，即C∝1／d.

（2）定量探究两极板正对面积与电容大小之间的关系.依次接通两极板之间正对面积分别为2 cm×40 cm、4 cm×40 cm、5 cm×40 cm、8 cm×40 cm、10 cm×40 cm的开关，记录电容表的读数如表2所示.对表2中电容的实际值与两极板之间面积S进行分析，可得出两极板之间距离与电容之间的关系如图9所示.