梁良飛 林瑞河 吳中榮

(1. 福建師范大學(xué)泉州附屬中學(xué),福建 泉州 362000; 2. 泉州市第七中學(xué),福建 泉州 362000; 3. 泉州市鯉城區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校,福建 泉州 362000)

基于物理核心素養(yǎng)的高中物理教學(xué),以及新高考、新教材的同步推進(jìn)實(shí)施帶來(lái)新的教學(xué)方式的變革,給每一位教師帶來(lái)極大的挑戰(zhàn).普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[1](2020年修訂)指出:“演示實(shí)驗(yàn)是師生共同探究物理問(wèn)題的學(xué)習(xí)方式,也是體驗(yàn)性較強(qiáng)的學(xué)習(xí)方式,教師要積極利用各種器材,創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方式,盡可能多地開發(fā)可視性強(qiáng)、證據(jù)性強(qiáng)、能引起學(xué)生濃厚興趣的演示實(shí)驗(yàn).”例如新魯科版高中物理教科書選擇性必修3第2章第5節(jié)“科學(xué)探究:電容器”的實(shí)驗(yàn)中,雖然以靜電計(jì)、平行板電容器為核心器材進(jìn)行探究平行板電容器的電容,但利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的平行板電容教學(xué)儀器,按照說(shuō)明書上的方法操作,在南方潮濕氣候的影響下,該實(shí)驗(yàn)很難演示成功.經(jīng)過(guò)筆者數(shù)次實(shí)驗(yàn),總結(jié)出導(dǎo)致該實(shí)驗(yàn)難以成功的原因,主要有以下2點(diǎn).

(1) 因天氣比較潮濕,導(dǎo)致空氣中離子密度有一定程度的變化,極板上的電荷很容易因潮濕的空氣漏電,靜電計(jì)上的電荷量也因此會(huì)慢慢放電,導(dǎo)致Q減少,所以無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)過(guò)程中極板電荷量Q不變這一條件.

(2) 實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的器材只能作為演示用,在探究極板面積和間距的過(guò)程中,無(wú)法確保距離或者正對(duì)面積條件不變,從而難以控制變量,尤其插入介質(zhì)過(guò)程中沒(méi)有結(jié)構(gòu)依托,操作非常困難.

為解決上述問(wèn)題,本文進(jìn)行定量探究平行板電容器電容的簡(jiǎn)易裝置設(shè)計(jì).

1 項(xiàng)目思路

本教具整體設(shè)計(jì)思路:為了實(shí)現(xiàn)參數(shù)可視化,先利用光柵傳感器和電容傳感器分別測(cè)量距離及當(dāng)前距離下的電容值,然后利用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及打包,并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)送給上位機(jī),上位機(jī)接收數(shù)據(jù)包后進(jìn)行數(shù)據(jù)解析并顯示相應(yīng)參數(shù),各個(gè)功能模塊如圖1所示.為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),首先利用開源3D軟件設(shè)計(jì)教具的底座并進(jìn)行仿真,如圖2所示;然后利用3D打印機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)打印并裝配,最終效果圖如圖3所示.

圖1 電器分析圖

圖2 教具構(gòu)造圖

圖3 實(shí)物圖

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 電容器傳感器選型

若采用鋁板作為A、B極板,正對(duì)面積不大,并且距離較大時(shí),電容量很小.為了能測(cè)量到很小的電容量,本實(shí)驗(yàn)采用基于FDC2214電容式傳感器采集模塊.據(jù)芯片手冊(cè)顯示,FDC2214電容式傳感器是內(nèi)嵌式基于LC振蕩電路原理的電容器,是低功耗、低成本且高分辨率的傳感器,量程最大可以支持250 nF超大電容輸入,并且分辨率可以達(dá)到28位.經(jīng)測(cè)試,自制的平行板電容器的電容數(shù)量級(jí)約為10-9F,而芯片至少可以測(cè)量到0.0001 pF級(jí)別.本模塊經(jīng)過(guò)與勝利VC4090C高精度LCR數(shù)字電橋測(cè)試儀進(jìn)行比對(duì)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)誤差小于±0.5%,因此基于FDC2214芯片的電容采集模塊非常適合測(cè)量本項(xiàng)目的電容器容量.

2.2 距離傳感器選型

為了在課堂上能更高效更直觀地展示板間距離及正對(duì)面積,本教具采用H9730高精度光柵編碼器對(duì)板間移動(dòng)進(jìn)行高精度測(cè)量.而后利用單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算得出距離或者板間正對(duì)面積.然而,若教具都采用智能傳感器直接測(cè)量所需的數(shù)據(jù),雖然可以快速得到數(shù)據(jù),但很難培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力,也無(wú)法幫助他們掌握核心物理原理,很難提升學(xué)生的核心素養(yǎng).故本教具還設(shè)計(jì)類似游標(biāo)卡尺刻度的功能,并利用激光打印機(jī)在亞銀紙上打印,貼在教具底座上.這樣在實(shí)際探究時(shí),隨著滑塊的移動(dòng),學(xué)生可以通過(guò)自制游標(biāo)卡尺讀出A、B鋁板間距離并和傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,從而驗(yàn)證自己讀數(shù)是否準(zhǔn)確.通過(guò)實(shí)驗(yàn),學(xué)生不僅可以定量探究電容器的電容,還可以培養(yǎng)高中階段非常重要的游標(biāo)卡尺讀數(shù)能力,一舉兩得.

2.3 顯示模塊

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象存在不明顯的因素,且上課測(cè)試發(fā)現(xiàn)班級(jí)后面的學(xué)生基本看不到現(xiàn)象.為解決這個(gè)問(wèn)題,筆者采用0.56寸數(shù)碼管作為顯示核心,盒子嵌入鋰電池、無(wú)線模塊、開關(guān)、充電口和單片機(jī),盒子背面嵌入26mm的磁鐵,便于吸附在黑板上,使班級(jí)后面的學(xué)生可以非常直觀地觀測(cè)電容、距離和面積的變化,如圖3所示.

2.4 軟件系統(tǒng)

本項(xiàng)目上位機(jī)采用C#語(yǔ)言開發(fā).該軟件主要由測(cè)量數(shù)據(jù)表、控制區(qū)、圖線顯示區(qū)等組成,如圖4所示.通過(guò)這個(gè)軟件,教師和學(xué)生可以高效探究電容器各物理量之間的關(guān)系.

圖4 上位機(jī)軟件界面

3 探究實(shí)驗(yàn)原理

3.1 探究平行板電容器電容與正對(duì)面積的關(guān)系

當(dāng)探究平行板電容器電容與正對(duì)面積的關(guān)系時(shí),把A、B鋁極板分別插入AX槽口與BX槽口,保證距離不變,然后緩慢移動(dòng)滑塊.這樣可以改變正對(duì)面積,3D效果如圖5所示,實(shí)物圖如圖6所示.學(xué)生可以從顯示模塊中得到電容值以及從自制游標(biāo)卡尺中讀取移動(dòng)的距離并換算出正對(duì)面積.

圖5 3D效果圖

圖6 實(shí)物圖

3.2 探究平行板電容器電容與板距離的關(guān)系

當(dāng)探究平行板電容器電容與板距離的關(guān)系時(shí),把A、B鋁極板分別插入AY槽口與BY槽口,保證正對(duì)面積不變,然后緩慢移動(dòng)滑塊.這樣就可以改變兩極板的距離,3D效果如圖7所示,實(shí)物圖如圖8所示,學(xué)生可以從顯示面板得到電容值以及從自制游標(biāo)卡尺中讀取移動(dòng)的距離.

圖7 3D設(shè)計(jì)效果圖

圖8 實(shí)物圖

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)1:定性探究電容與鋁板間距離、正對(duì)面積的關(guān)系.

(1) 實(shí)驗(yàn)步驟如下.

① 組裝好器材,將A、B鋁極板分別插入AY槽口與BY槽口,并將電容傳感器A、B接線端的鱷魚夾分別夾住A、B鋁板,如圖8所示.

② 調(diào)節(jié)滑塊至最左端處,并讓A、B鋁板正面相對(duì).

③ 打開模塊各自電源,待系統(tǒng)啟動(dòng)成功后,顯示模塊上會(huì)自動(dòng)顯示當(dāng)前電容.

④ 通過(guò)用戶按鍵,選擇距離模式,打開上位機(jī),并切換至定性探究電容與距離、正對(duì)面積的關(guān)系界面,啟動(dòng)實(shí)時(shí)采集按鈕.

⑤ 緩慢移動(dòng)滑塊至右端,并點(diǎn)擊停止采集按鈕.

⑥ 分析電容與板間距曲線數(shù)據(jù),如圖9所示.

圖9 定性探究電容與距離的關(guān)系

⑦ 將A、B鋁極板分別插入AX槽口與BX槽口,并將電容傳感器的A、B接線端的鱷魚夾分別夾住A、B鋁板,如圖6所示.

⑧ 重復(fù)②-⑤步驟,分析電容與正對(duì)面積曲線數(shù)據(jù),如圖10所示.

圖10 定性探究電容與正對(duì)面積的關(guān)系

(2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

通過(guò)實(shí)時(shí)曲線圖,可以初步得出以下結(jié)論.

① 其他條件一定的情況下,平行板電容器的電容隨著平行板正對(duì)面積的減小而減小.

② 其他條件一定的情況下,平行板電容器的電容隨著平行板間距的增加而減小,并且呈非線性關(guān)系.

實(shí)驗(yàn)2:定量探究電容與正對(duì)面積S的關(guān)系.

(1) 實(shí)驗(yàn)步驟.

① 組裝好器材,將A、B鋁極板分別插入AX槽口與BX槽口,并將電容傳感器A、B接線端的鱷魚夾分別夾住A、B鋁板.

② 調(diào)節(jié)滑塊至左邊.

③ 讓帶磁性的兩個(gè)模塊化的顯示模塊吸附在黑板上,在黑板旁邊寫上電容C和正對(duì)面積S,并打開相應(yīng)的電源.

④ 打開測(cè)量?jī)x器的電源,并按下面積按鍵,初始化模塊.

⑤ 緩慢把滑塊向右移動(dòng)并讓學(xué)生讀出游標(biāo)卡尺示數(shù)(系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)),同時(shí)記錄當(dāng)前電容量值.

⑥ 緩慢向右移動(dòng)滑塊,重復(fù)第⑤步驟,至少測(cè)量10組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

⑦ 分析數(shù)據(jù),得出結(jié)論.

(2) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(如表1所示).

表1 定量探究平行板電容器的電容與極板正對(duì)面積S的關(guān)系數(shù)據(jù)

(3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

經(jīng)描點(diǎn)并擬合最后可以得到的決定系數(shù)(R2=0.9974),說(shuō)明其他條件不變,平行板電容器的電容與兩極板正對(duì)面積存在正比例關(guān)系,即C=k·S,如圖11所示.

圖11 平行板電容器的電容與極板正對(duì)面積關(guān)系圖

實(shí)驗(yàn)3:定量探究電容與極板間的距離d的關(guān)系.

(1) 實(shí)驗(yàn)步驟.

① 組裝好器材,將A、B鋁極板分別插入AY槽口、BY槽口并將電容傳感器A、B接線端的鱷魚夾分別夾住A、B鋁板.

② 調(diào)節(jié)滑塊至左邊.

③ 讓帶磁性的兩個(gè)模塊化的顯示模塊吸附在黑板上,在黑板旁邊寫上電容C和距離d,并打開相應(yīng)電源.

④ 打開測(cè)量?jī)x器的電源,并按下距離按鍵,初始化模塊.

⑤ 緩慢把滑塊向右移動(dòng)并讓學(xué)生讀出游標(biāo)卡尺示數(shù)(系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)),同時(shí)記錄當(dāng)前電容量值并記錄表格.

⑥ 緩慢向右移動(dòng)滑塊,重復(fù)第⑤步驟,至少測(cè)量10組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

⑦ 分析數(shù)據(jù),得出結(jié)論.

(2) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(如表2所示).

表2 定量探究平行板電容器與極板間距d的關(guān)系的數(shù)據(jù)

(3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

經(jīng)描點(diǎn)并擬合最后可以得到?jīng)Q定系數(shù)(R2=0.9964),說(shuō)明其他條件不變,平行板電容器的電容與板間距成反比,如圖12所示;與板間距的倒數(shù)成正比,如圖13所示,記C=k·1/d.

圖12 電容器電容與極板間距關(guān)系圖

圖13 電容器電容與極間距倒數(shù)關(guān)系圖

實(shí)驗(yàn)4:定性探究電容與電介質(zhì)的關(guān)系.

(1) 實(shí)驗(yàn)步驟.

① 組裝好器材,將A、B鋁極板分別插入AX槽口、BX槽口并將電容傳感器A、B接線端的鱷魚夾分別夾住A、B鋁板.

② 調(diào)節(jié)滑塊至刻度為20mm處,并讓A、B鋁板正面平行相對(duì).

③ 打開模塊相應(yīng)電源,待系統(tǒng)啟動(dòng)成功后,顯示模塊會(huì)自動(dòng)顯示當(dāng)前電容.

④ 選擇距離模式,打開上位機(jī),并切換至定性探究電容與電介質(zhì)的關(guān)系界面,啟動(dòng)實(shí)時(shí)采集按鈕.

⑤ 分別手持同種尺寸的云母片、玻璃片、陶瓷片、石蠟片緩慢插入平行板之間(盡量同一位置),但不接觸平行板,分別記錄插入前和插入后電容量的值.

⑥ 重復(fù)以上步驟,記錄5次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

(2) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(如表3所示).

表3 定性探究電容與電介質(zhì)體的關(guān)系數(shù)據(jù) 單位:pF

(3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

其他條件一定的情況下,可定性得出,放入電介質(zhì)后的電容比空氣介質(zhì)的電容大(如圖14所示).

圖14 定性探究電容與電介質(zhì)材料的關(guān)系

5 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

本實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比,雖已進(jìn)行大量改進(jìn),操作起來(lái)簡(jiǎn)單方便,但仍需注意以下幾點(diǎn):(1) 做實(shí)驗(yàn)時(shí),手不能太靠近甚至接觸極板,這樣會(huì)引入外圍電容;(2) 探究電容與板間距關(guān)系時(shí),盡量測(cè)量一開始距離的電容(小距離電容);(3) 移動(dòng)極板時(shí)盡量緩慢,移完后手盡量遠(yuǎn)離器材.

6 創(chuàng)新點(diǎn)

(1) 該實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)H9740的光柵傳感器,配合型號(hào)180LPI的光柵尺,測(cè)量平行板電容器兩極板之間的距離,解決傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)沒(méi)有測(cè)量板間距的缺陷,從而達(dá)到精確測(cè)量板間距,便于物理教學(xué)上后續(xù)數(shù)據(jù)處理及公式的得出.

(2) 該實(shí)驗(yàn)將采集數(shù)據(jù)(電容、距離、正對(duì)面積)與基于型號(hào)5461數(shù)碼管的數(shù)據(jù)顯示(電容、距離、正對(duì)面積)的分離式方案,配合模塊底部外殼加裝直徑20 mm的圓形釹吸鐵石作為教具的獨(dú)立模塊,實(shí)現(xiàn)教學(xué)時(shí)能把教具吸附在黑板上,從而直觀高效地呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果.

7 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)大量的學(xué)生實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)課教學(xué),發(fā)現(xiàn)該自制教具能滿足高中物理教師對(duì)平行板電容器的實(shí)驗(yàn)教學(xué).通過(guò)該實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以熟練應(yīng)用控制變量研究平行板電容器的電容與間距d、面積S以及與電介質(zhì)的關(guān)系.教師可以利用本教具進(jìn)行定性、定量研究平行板電容器的電容與哪些因素有關(guān),解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題.該實(shí)驗(yàn)采用模塊化設(shè)計(jì),有助于培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、科學(xué)思維和探究能力,進(jìn)而能有效培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度,體現(xiàn)物理課程育人的功能.