电容器的充放电.pdf
电容器的充放电 1 Capacitor charging and discharging 钱选体(南通市启秀中学高中物理组江苏南通226001)电容器是一种重要的电学元件,是一个储存电荷既为储能元件,它不是一个耗能元件,可以说没有电容器就没有现在的信息社会和现代化的生活;要掌握电容器的特性我认为做好电容器的充放电实验非常重要,可以帮助学生理解掌握电容器特性在电路中的作用起到事半功倍的作用。人教版 3-1 书本给出的电容器的充放电示意图如右图,S 掷至 1 为充电,掷至 2 为放电,表面上是可以进行充放电的实验了,但实际上是看不到实验现象的,由于电路中无电阻R,充放电时间很 短很短,根本看不到充放电的过程,几乎看不到安培表的变化过程。若用右图进行演示,C=470F,R=10k,A 表用 100A 或 500A 的示教万用 G表,V 用2.5V 的示教万用表,RC=5s,整个充放电时间为15s25s,便于观察和讲解,A 的指针放在正中,可以左右偏,E 用一节干电池,可以很好的演示 充放电实验,S 掷至 1 为充电过程,同时可以看到A表读数由最大逐渐减小,V 表读数由小逐渐增大,可知充电的电流方向及电容器上、下极板所带的电量;S 掷至 2 时为放电过程,此时可以看到A表和V 表的读数同时减小直至为零,同时可以看到放电电流方向与充电电流方向相反,有足够的时间进行讲解说明,可以说明充好电的电容器储存能量即电场能。图存在两个缺点,充电结束时A始终不为零,因为V 不是理想表,不能很好说明充电结束时电路中电流为零,一种方法是将V 表断开再做充电实验,此时1 基金项目:江苏省教育科学“十二五”规划普教立项NO:387 新课程高中物理实验的改进与创新成员:钱选体充电结束时 A 表读数为零;还有一种方法是改变 A 的接线位置,由外接改为内接,还有一个缺点为 S 断开 1 又没有与 2 连接时,理论上 C 两端的电压应不变,即充好电的电容器的电量不变,由于V 表不是理想表,它要放电,所以在 V 表支路上接一个电键,断开 1 时及时断开 V 支路中的电键。用右图进行演示,E、R、C、A、V 的值及选择与图相同,S 1 为单刀双掷开关,S 2 为单刀单掷开关,观察效果很好,有足够的时间进行充分的讲解;当 S 1 掷至 1,S 2 接通为充电,可以同时看到 A 和V 的读数变化过程,终态A 为零V 约为 E,据A 表的指针偏转方向可知充电的方向;当 S 1 断开前先断开 S 2,可以提 出问题说明充好电的电容器存在什么呢?然后先接 S 2 再快速使 S 1 掷至 2,观察此时V 的最大值几乎不变,然后A、V 表同时减小直至为零;说明充好电的电容器两端电压U 不变,即电量 Q 不变,充好电的电容器储有能量即电场能,通过A 表的指针偏转方向可知放电的电流方向与充电的电流方向相反。通过图进行充放电实验后可以说明下面几个问题,第一根据充电时 A 的读数由最大减至零,说明电容器 C 在直流电路中接通的瞬时相当于短路,正常工作时相当于断路;第二可以通过改变 R 和 C 的值,可以观察到充放电时间的长短,说明 R 与 C 的乘积是时间,RC 电路有延时效应,从而可以使电路延时接通或延时断开达到需要的自动控制;第三可以通过充放电知道电容器的串、并联的特点,若并联电容器后,充放电时间增大,RC 乘积增大,说明并联后电容器的电容量增大,若串联电容器后,充放电时间减小,RC 乘积减小,说明串联后的电容器的电容量减少,从而使学生很容易接受电容器的串并联的电容量的变化;第四个很容易解决图的问题,可以先按图进行一个演示实验,R 1、R 2、R 3 为电阻 箱都调为 5000,A 1、A 2、A 3 为示教万用表的G 表,当 S 闭合可以看到三个 A 表的读数变化与图中的A、B、C 三灯的亮度变化是一样的,利用C 接通时短路,正常时断路,A 先亮后渐暗与 B 同样亮,B、C 先同样亮后 C 渐暗且不亮,B 渐亮,还可以很容易回答图中S 接通时 A、B 灯谁先亮,亮度变化情况如何,据接通时瞬间 C 短路,则 A 灯先亮,据 C 正常工作时断路及充电需要时间,所以B 灯后亮,A 灯由亮变暗,B 由暗变亮。用图的放电过程,增加一个秒表,可以进行电容器的电容C 的测量,为了便于测量可以适当提高时间常数RC 的值,可以使 RC=10s,放电过程有 30s50s 的时间,可以每 5s 读一个 I 值,用方格纸作出 I t 图象,如图曲线与 I、t 轴围成的面积为Q,用数格子的方法得到Q,用公式 C=Q/U 计算出电容器的电容C;课本3-1P32 的 I t 图中的数据有问题,由图可知时间常数=RC=1s,计算出C=10F,则 R 应该为 100k;图中 I max=2.4mA,E=8V,R=E/I=3.3 k,此数据及图应该重新测量和绘制一下;另据图进行 充电时 U C=E,放电时有 Cq+R dt dq=0,则 i=RC t 0e I-,I 0=R E,即 i=RC t 0e I-。用电容器充放电过程测电容器的电容量C,可以放一个学生实验,使学生通过身边的简单仪器也可以测到C 值,不一定要用传感器,可以培养学生的创新思维能力,而且使用这个实验的仪器:电阻箱、干电池、电容器、秒表或手表,G 表各校都有。实验时可以采用图中的数据每5s 读一个 I 值,作出 I t 图即可。总之,在目前大量提倡高效课堂,培养学生的创新思维能力的前提下,我们的物理课堂应该走在前沿,能做好的演示实验要创造条件做好,能让学生动手的学生实验尽量安排给他们做,从而达到我们的预期效果。
