李紅偉 劉明忠

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，所有物理概念、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和確立，都是在實驗的基礎(chǔ)上建立起來的，物理實驗對物理學(xué)的發(fā)展和物理教學(xué)都起到極其重要的作用.在物理課堂教學(xué)設(shè)計中，如果能夠巧妙地創(chuàng)設(shè)系列物理課堂實驗，不但能幫助學(xué)生深刻理解物理規(guī)律的本質(zhì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，而且能轉(zhuǎn)變以往被動的知識灌輸模式，讓學(xué)生走向積極的、主動的自主性學(xué)習(xí)，實現(xiàn)課堂教學(xué)的有效性.下面以高中人教版選修3-1第一章第8節(jié)《電容器的電容》為例，說明如何以實驗為基礎(chǔ)，實現(xiàn)提高課堂教學(xué)有效性的教學(xué)設(shè)計.

電容器是一種重要的電學(xué)元件，在實際生活中有著廣泛的應(yīng)用；學(xué)習(xí)電容器內(nèi)容之前學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了電荷量、電場強度、電勢差等物理量，這節(jié)的內(nèi)容既是對以上知識的綜合應(yīng)用，也是物理在實際生活中的體現(xiàn)，同時也為后面學(xué)習(xí)帶電粒子在勻強電場的運動、電磁振蕩等內(nèi)容打下基礎(chǔ)，因此起到承上啟下的作用.電容概念的建立、決定平行板電容器電容大小的因素是本節(jié)的教學(xué)重點，電容概念的理解及電容器的充放電過程是本節(jié)的教學(xué)難點.

課堂教學(xué)設(shè)計流程：引入課題，探究電容器儲存電荷的特性→探究電容器的充放電過程→通過實驗探究得出電容定義式→探究決定平行板電容器電容大小的因素→常見電容器、結(jié)束新課

【教學(xué)片段一】 引入課題，探究電容器儲存電荷的特性

實驗設(shè)計1：探究電容器儲存電荷的特性

實驗儀器：起電機（圖1）、金屬圓盤（2個）、節(jié)能燈、輕小物體、細繩、導(dǎo)線若干.

實驗原理：兩個相距1-2cm的金屬圓盤為兩個極板，空氣作為電介質(zhì)，則組成了最簡單的電容器（圖2）.利用起電機使極板帶電，兩極板中間懸掛的輕小物體被吸引偏轉(zhuǎn)，說明金屬圓盤極板帶電；把兩圓盤與節(jié)能燈連接，節(jié)能燈閃亮一下，同樣說明電容器具有儲存電荷的特性.

評析 用簡單的兩個金屬圓盤做成電容器，讓學(xué)生認識到電容器的結(jié)構(gòu)是如此簡單，電容器的制作原來如此容易.用輕小物體來檢測電容器是否帶電（帶電體能吸引輕小物體），是實驗的一個亮點；為了進一步證實電容器已儲存電荷，通過節(jié)能燈使燈閃亮了一下，更吸引了學(xué)生注意力，激發(fā)了學(xué)生的求知欲.這個實驗設(shè)計充分考慮到了學(xué)生認識發(fā)展水平，體現(xiàn)了創(chuàng)新意識及創(chuàng)新思維，彰顯了“從生活走向科學(xué)，從科學(xué)走向生活”的現(xiàn)代教育思想.

【教學(xué)片段二】 探究電容器的充放電過程

實驗設(shè)計2：探究電容器充放電電流方向及大小變化情況

實驗儀器：發(fā)光二極管（2個）、電源、電容器、單刀雙擲開關(guān)、導(dǎo)線若干.

實驗原理：如圖3，把單刀雙擲開關(guān)撥開向1，發(fā)光二極管a變亮然后逐漸變暗，反映電容器充電電流方向及充電電流大小逐漸減??；把單刀雙擲開關(guān)撥向2，發(fā)光二極管b變亮然后逐漸變暗，反映電容器放電電流方向及放電電流大小逐漸減小.

評析 電容器的充放電過程是電容器工作的主要形式，也是學(xué)生了解電容器的一個載體.教材對電容器的充放電過程敘述比較簡單，加上內(nèi)容抽象，電荷的微觀運動無法演示，學(xué)生接受起來顯得非常困難，而這部分內(nèi)容又是后面學(xué)習(xí)電磁振蕩的基礎(chǔ).為解決這個問題，實驗設(shè)計通過兩個發(fā)光二極管，讓學(xué)生直觀地感受到電容器充放電電流的方向及電流大小變化情況，使學(xué)生對電容器的認識更加具體，更加豐富，也為后面的教學(xué)鋪平了道路.

【教學(xué)片段三】 通過實驗探究得出電容定義式

實驗設(shè)計3：探究電容器儲存電荷量與電勢差關(guān)系

實驗儀器：數(shù)字萬用表、電源、完全相同的電容器5個、單刀雙擲開關(guān)（3個）、單刀單擲開關(guān)、導(dǎo)線若干.

實驗原理：如圖4，開始所有開關(guān)處于斷開狀態(tài).①先閉合S，電源對C1充電；②斷開S，單刀雙擲開關(guān)S1接1，類比庫侖扭稱實驗的電量二分法，兩個完全相同的電容器直接接觸，電量也將平分，由此C1、C2所帶電量應(yīng)該均為Q/2；③S1接2，S2接3，C2、C3所帶電量應(yīng)該均為Q/4；④S2接4，S3接5，C3、C4所帶電量應(yīng)該均為Q/8；⑤S3接6，C4、C5所帶電量應(yīng)該均為Q/16；⑥用數(shù)字萬用表直接電測出容器C1、C2、C3、C4兩極電壓，分析得出Q與U的比值為一個常數(shù).

C1C2C3C4

電量Q/2Q/4Q/8Q/16

電容U/2U/4U/8U/16

評析 得出電容定義式的是本節(jié)的重點，也是難點.以往教學(xué)設(shè)計大多是類比柱形水容器的方法告訴學(xué)生電容器所帶電量Q與電壓U成正比；或者通過放電產(chǎn)生火花強弱，小燈泡的亮度情況等來定性說明電容器儲存電荷量的多少，不足以說明電量Q與電壓U成正比.本實驗設(shè)計巧妙地利用電量二分法使電容器電量這個很難測量的物理量問題得到解決，實驗操作簡單易行，科學(xué)嚴謹，效果明顯，學(xué)生容易理解，充分達到了突破教學(xué)重點、難點的作用.

實驗設(shè)計4：探究不同電容器的電容大小

實驗儀器：干電池、不同型號電解電容器3個、石英鐘、單刀雙擲開關(guān)、單刀單擲開關(guān)3個、導(dǎo)線若干.

實驗原理：如圖5，用兩節(jié)干電池同時對3個不同型號的電解電容器充電后，然后分別通過石英鐘放電，石英鐘指針轉(zhuǎn)動的格數(shù)半定量地反映了電容器儲存電荷量的多少.分析實驗結(jié)果得出，不同電容器，電壓相同，指針轉(zhuǎn)動的格數(shù)一般不同，儲存電荷的本領(lǐng)一般不同.

電容器（uF）1000500250

指針轉(zhuǎn)動的格數(shù)421

評析 實驗設(shè)計運用控制變量法，對不同電容器在相同電壓，儲存電荷量的多少進行半定量探究，得出不同電容器電容一般不同的結(jié)論，使電容這一抽象概念變得直觀、具體，學(xué)生易于理解和接受，學(xué)生的抽象思維能力和創(chuàng)新能力也得到了培養(yǎng)和提高.

【教學(xué)片段四】 探究決定平行板電容器電容大小的因素

實驗設(shè)計5：探究平行板電容器的電容大小決定因素.

實驗儀器：平行板電容器（圖7）、數(shù)字電容表（圖6）、陶瓷片、玻璃板.

實驗原理：直接用數(shù)字電容表測量平行板金屬板組成的電容器電容.當兩板距離減小，電容表測出電容器的電容變大；當兩板正對面積減小，電容表測出電容器的電容變小；在兩之間插入介質(zhì)，電容表測出電容器的電容變大.

S不變d變化d不變S變化插入電介質(zhì)

dd/2d/4SS/2S/4陶瓷片玻璃板

C2C4CCC/2C/4C變大C變大

結(jié)論：C與d成反比結(jié)論：C與S成正比結(jié)論：C與介質(zhì)有關(guān)

評析 影響平行板電容器電容大小的因素是本節(jié)教學(xué)內(nèi)容的又一重點.課本給出的演示實驗是間接推導(dǎo)電容與各種因素的關(guān)系，這個實驗不直觀，推導(dǎo)能力要求較強，難于讓學(xué)生形成深刻的印象，不符合高中學(xué)生的認識水平與邏輯發(fā)展水平；同時這個演示實驗所花時間較長，容易受天氣等因素影響導(dǎo)致實驗不成功；且只能定性得出結(jié)論.而本實驗設(shè)計應(yīng)用新儀器數(shù)字電容表直接測量行板電容器電容，對電容大小決定因素進行定量研究，不受天氣影響，操作簡單，現(xiàn)象明顯，學(xué)生容易接受理解.

【教學(xué)片段五】 常見電容器，結(jié)束新課

實驗設(shè)計6：測量人體電容器電容大小

實驗儀器：數(shù)字電容表、導(dǎo)線若干.

實驗原理：如圖8，20位同學(xué)手拉手分成兩排組成一個人體電容器，用數(shù)字電容表可直接測量出人體電容器的電容大小.增大兩排學(xué)生間的距離，數(shù)字電容表測量出的電容變?。粶p小兩排學(xué)生間的距離，數(shù)字電容表測量出的電容變大.減少兩排學(xué)生人數(shù)，測得的電容變小.

評析 本實驗設(shè)計通過兩排學(xué)生間距的變化，人數(shù)的變化，加深了對平行板電容器的電容大小決定因素的理解；通過測量人體電容器電容，讓學(xué)生感受電容器電容存在的普遍性，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，課堂教學(xué)在結(jié)束時達到高潮，學(xué)生課后回味無窮.關(guān)注生活，從生活中挖掘物理教學(xué)素材，并以實驗的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生感受到物理是有用的，學(xué)習(xí)物理是有現(xiàn)實意義的.

諾貝爾物理學(xué)獎獲得者丁肇中對實驗的重要性有過精辟的描述：“所有的自然科學(xué)都是實驗科學(xué).再好的理論如果與實驗不相符，那么理論就不存在.實驗可以推翻理論，而理論永遠無法推翻實驗.因此實驗對于自然科學(xué)來講非常重要.”在物理教學(xué)中，教師都要明白這個道理：物理實驗是物理學(xué)的基礎(chǔ)，要上好物理課，就要設(shè)計好課堂實驗，針對學(xué)生的疑難、困惑，想方設(shè)法構(gòu)思實驗展示的方式，還物理學(xué)科的本來面目，從而達到提高課堂教學(xué)有效性的目的.