邵云峰

(浙江省衢州高級(jí)中學(xué))

電容器作為電子元器件在各種電器中都有廣泛的應(yīng)用,能夠起到調(diào)諧、耦合、旁路、濾波等作用,教材上及各類考試中均有體現(xiàn).

對(duì)于高中物理電場(chǎng)部分內(nèi)容,建立物理場(chǎng)景比較難,授課教師往往只能“紙上談兵”,學(xué)生學(xué)習(xí)起來也有很大難度,成績(jī)往往不盡人意.對(duì)此物理教師和學(xué)生需要改變自己,積極進(jìn)行實(shí)踐和探索,在實(shí)踐中提高認(rèn)識(shí),建立符合認(rèn)知規(guī)律的物理場(chǎng)景,消除認(rèn)知障礙.下面以電容器充放電為例簡(jiǎn)要分析.

1 親力親為,感知表象

我們知道,感覺是知覺、記憶、思維等復(fù)雜的認(rèn)識(shí)活動(dòng)的基礎(chǔ),也是人的全部心理現(xiàn)象的基礎(chǔ),是最簡(jiǎn)單、最基本的心理活動(dòng).知覺是在感覺的基礎(chǔ)上把客觀事物直接作用于感官而在頭腦中產(chǎn)生的對(duì)事物整體的認(rèn)識(shí),表象則是基于知覺在頭腦內(nèi)形成的感性形象,具有一定的概括性,是從感知過渡到思維的中間環(huán)節(jié).

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,我們只要制定出符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的實(shí)驗(yàn)方案,積極進(jìn)行有效實(shí)驗(yàn),就能在教學(xué)和學(xué)習(xí)中收到滿意的效果,電容器的教學(xué)和學(xué)習(xí)同樣如此.

實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示.

圖1

實(shí)驗(yàn)器材:直流可調(diào)穩(wěn)壓電源、單刀雙擲開關(guān)、電解電容器(60V、2000μF)、數(shù)字電壓表、導(dǎo)線若干.

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過觀察電容器對(duì)人體的放電現(xiàn)象,明確電容器能夠儲(chǔ)存電荷,加在電容器兩端的電壓越高,儲(chǔ)存的電荷越多.

實(shí)驗(yàn)步驟:

1)開關(guān)S與1接觸,給電容器充電,充電完畢后斷開開關(guān)1,記下數(shù)字電壓表的讀數(shù).

2)讓實(shí)驗(yàn)者雙手分別與接點(diǎn)2和開關(guān)接觸,感知放電電流.

3)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源使輸出電壓逐步提高,重復(fù)上述操作步驟.

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:加在電容器兩端的電壓越高,儲(chǔ)存的電荷越多.

說明:電容器為電解電容器,其容量大、額定電壓高,滿足實(shí)驗(yàn)要求.電源輸出電壓最高可以定在50V,由于電容器儲(chǔ)存的電荷量有限,對(duì)人體沒有持續(xù)電流,不會(huì)產(chǎn)生危害.

2 抽絲剝繭,形成概念

一切科學(xué)的概念、定義、定理、規(guī)律、法則等都是通過思維概括的結(jié)果,都是人對(duì)客觀事物的概括的反映.思維的概括既指把同一類事物的共同特征和本質(zhì)特征抽取出來加以概括,也指將多次感知到的事物之間的聯(lián)系和關(guān)系加以概括,得出事物之間的內(nèi)在聯(lián)系或規(guī)律.

在圖1的實(shí)驗(yàn)中,我們獲取的信息是充電后電容器兩極板間的電勢(shì)差與電容器所帶的電荷量有關(guān),而人教版教材在“電容器的電容”一節(jié)中通過演示實(shí)驗(yàn)和拓展學(xué)習(xí)給出了“精確的實(shí)驗(yàn)表明,一個(gè)電容器所帶的電荷量Q與兩極板之間的電勢(shì)差U之比是不變的”.這一結(jié)論就是思維概括性的體現(xiàn).

實(shí)驗(yàn)操作1:如圖2所示,記錄不同電源電壓下充放電過程中發(fā)光二極管的發(fā)光程度以及數(shù)字電壓表的讀數(shù)變化.

圖2

實(shí)驗(yàn)操作2:如圖3所示,記錄不同電源電壓下充放電過程中靈敏電流計(jì)、數(shù)字電壓表的讀數(shù)變化.

圖3

實(shí)驗(yàn)操作3:如圖4所示,記錄不同電源電壓下充放電過程中發(fā)光二極管的發(fā)光程度以及數(shù)字電壓表的讀數(shù)變化.同時(shí)借助計(jì)算機(jī)觀測(cè)電容器的放電并繪制出電容器放電的I-t圖像,如圖5所示.

圖4

圖5

1)在圖5中,坐標(biāo)軸與圖線包圍的面積其物理意義是什么?

2)怎樣根據(jù)電容器放電的I-t圖像估算電容器在全部放電過程中釋放的電荷量? 試著算一算.

通過上述層層遞進(jìn),電容器充放電實(shí)驗(yàn)自然從定性過渡到定量,在教材中“一個(gè)電容器所帶的電荷量Q與兩極板之間的電勢(shì)差U之比是不變的”這句話得到探究的同時(shí),“電容器的電容”這一物理概念也就呼之欲出了.

3 拓展提升,解決問題

問題解決是指由一定的問題情境引起的,經(jīng)過一系列有目的和指向性的思維操作,使問題得到解決的過程.學(xué)生做練習(xí)或試題其實(shí)就是在解決問題.影響問題解決的因素除了問題本身的難度和問題情境的復(fù)雜程度以及學(xué)生本身的能力水平以外,還有自身對(duì)知識(shí)的遷移能力.遷移是已經(jīng)學(xué)過的知識(shí)在新情境中的應(yīng)用,或者是已有的問題解決經(jīng)驗(yàn)對(duì)解決新問題的影響.

例1 某同學(xué)用圖6進(jìn)行電容器充放電實(shí)驗(yàn).

圖6

問題1:他用同一電路分別給兩個(gè)不同的電容器充電,電容器的電容C1＜C2,充電時(shí)通過傳感器的電流隨時(shí)間變化的圖像如圖7中①②所示,其中對(duì)應(yīng)電容為C1的電容器充電過程的I-t圖像是_________(填“①”或“②”).

圖7

問題2:該同學(xué)在深入研究的過程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)改變一個(gè)或幾個(gè)物理量時(shí),I-t圖像會(huì)發(fā)生有規(guī)律的變化,圖8中的虛線表示4種可能的變化情形.如果只增大圖6中電阻R的值,I-t圖像的變化應(yīng)該是_________(填寫相應(yīng)選項(xiàng)的字母),初始放電電流_________(填“變大”“變小”或“不變”),放電時(shí)間_________(填“變長(zhǎng)”“變短”或“不變”).

圖8

問題1:根據(jù)題意可知,用同一電路分別給兩個(gè)不同的電容器充電,且電容器的電容C1＜C2,由Q＝CU可知,充電結(jié)束后,電容器C1所帶電荷量小.I-t圖像中圖像與坐標(biāo)軸所圍圖形的面積表示電荷量,則由圖7可知,對(duì)應(yīng)電容為C1的電容器充電過程的I-t圖像是①.

例2 (2022年1月浙江省選考,有刪減)如圖9所示,水平固定一半徑r＝0.2m 的金屬圓環(huán),長(zhǎng)均為r、電阻均為R的兩金屬棒沿直徑放置,其中一端與圓環(huán)接觸良好,另一端固定在過圓心的導(dǎo)電豎直轉(zhuǎn)軸OO′上,并隨軸以角速度ω＝600rad·s－1勻速轉(zhuǎn)動(dòng),圓環(huán)內(nèi)左半圓存在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B1的勻強(qiáng)磁場(chǎng).圓環(huán)邊緣、與轉(zhuǎn)軸良好接觸的電刷分別與間距l(xiāng)1的水平放置的平行金屬軌道相連,軌道間接有電容C＝0.09F的電容器,通過單刀雙擲開關(guān)S可分別與接線柱1、2相連.電容器左側(cè)有寬度也為l1、長(zhǎng)度為l2、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B2的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域.在磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)靠近左側(cè)邊緣處垂直軌道放置金屬棒ab,磁場(chǎng)區(qū)域外有間距也為l1的絕緣軌道與金屬軌道平滑連接,在絕緣軌道的水平段上放置“[”形金屬框fcde.棒ab長(zhǎng)度和“[”形框的寬度也均為l1,質(zhì)量均為m＝0.01kg,de與cf長(zhǎng)度均為l3＝0.08 m,已知l1＝0.25 m,l2＝0.068m,B1＝B2＝1T,方向均為豎直向上;棒ab和“[”形框的cd邊的電阻均為R＝0.1Ω,除已給電阻外其他電阻不計(jì),軌道均光滑,棒ab與軌道接觸良好且運(yùn)動(dòng)過程中始終與軌道垂直.開始時(shí)開關(guān)S和接線柱1接通,待電容器充電完畢后,將S從1撥到2,電容器放電,棒ab被彈出磁場(chǎng)后與“[”形框粘在一起形成閉合框abcd,此時(shí)將S與2斷開,已知框abcd在傾斜軌道上重心上升0.2m 后返回進(jìn)入磁場(chǎng).

圖9

(1)求電容器充電完畢后所帶的電荷量Q,并說明哪個(gè)極板(M或N)帶正電.

(2)求電容器釋放的電荷量ΔQ.

以上闡述都是圍繞電容器的充放電而展開,符合心理學(xué)的認(rèn)知規(guī)律,而對(duì)學(xué)生認(rèn)知提升真正起決定性作用的就是物理實(shí)驗(yàn).學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中可以通過感知物理現(xiàn)象獲取表象,可以通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行思維概括,形成概念,可以通過實(shí)驗(yàn)拓展加深對(duì)概念的理解,從而解決實(shí)際問題,這就是現(xiàn)代物理教學(xué)所要遵循的教學(xué)法則.