定量探究影响电容大小因素实验器材改进与创新

何恩阳

摘   要：笔者在教学实践过程中，总结了“探究平行板电容器电容大小影响因素”实验，存在电荷易流失，易受环境湿度影响，极板距离、正对面积无法定量改变等问题，提出了相应的改进建议，并在此基础上进行教具创新，实现了平行板电容器电容值与极板距离、电介质、正对面积的定量探究。

关键词：平行板电容器;定量探究;实验改进;教具创新

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）1-0049-3

教科版高中物理教材中《电容器和电容》[1]包括“平行板电容器的电容与哪些因素有关”的实验。

教材中，采用的是先让平行板电容器带电，通过静电计指针偏转程度定性地反映极板间电势差的变化，再根据电容的定义式C=，间接反映出电容大小的变化情况，从而得出影响电容大小的相关因素。然而，在实际操作过程中，教材中的实验存在着诸多不足。

1    原实验存在的不足

（1）原实验是一个静电实验，前提条件是极板所带电荷量Q不变。然而平行板电容器和静电计都直接置于空气中，尤其在空气湿度较高的情况下，电荷容易流失，无法满足前提条件;静电计只能定性地描述极板间电压的变化，无法测得具体的电容值。

（2）极板带电过程需要使用静电发生器，该仪器在使用操作过程中会产生高压，甚至产生电火花。

（3）该实验改变极板之间的距离是通过用手平移极板实现的，难以定量地控制，数据不稳定。

（4）该实验改变极板正对面积是通过手移动一边极板，使极板错开实现的，错开过程由于手的不稳定，难以保持极板间距离不变，且无法定量得出正对面积的变化。

2    实验改进与教具制作

本次实验的改进分为测量方式的改进和实验器材的改进制作。

（1）将测量仪器直接换成可直接测量电容值的数字电容表，既不需要两极板带电，测量也方便、准确。

（2）定量探究极板距离和绝缘物质与电容的关系，通过制作两块大小相同的金属圆板并在边缘打上圆孔（除圆孔周围，其他部分涂上绝缘漆），并制作大小和厚度相同的4块PVC板、木板、有机玻璃板和纸板（如图1）。

（3）定量探究极板正对面积和电容值之间的关系。将一块长方形铝塑板（又叫铝塑复合板，中间为非金属绝缘体，两边为金属镀层）保持一面面积不变，一面切分为S/2、S/4、S/8、S/16（除用于测量部分需露出金属，其余部位均涂上绝缘漆），通过电容表直接测量不同正对面积对应的电容值，得出正对面积与电容的精确关系。

（4）制作了专门的木制支架，可用于固定平行板电容器两极板以及铝塑板。防止因为手的抖动影响实验精确程度。

3    具体实验操作方法

（1）本套教具木制支架滑杆上有若干用于固定两极板的滑块，滑块宽度相等，可用于等间距地改变两极板距离，完成定量实验，也可以通过移动滑块从而任意改变两极板距离完成定性探究（如图2）。

由于影响平行板电容器电容值的因素较多，一般采用控制变量法进行研究。图3中电介质为空气，可以插入木板、PVC板、有机玻璃板、纸板等不同介质材料，通过改变插入介质张数，定量改变极板间距离，再由电容表读出示数，完成定量探究（如图3、表1）。

分析：可以看得到在正对面积和电介质相同的情况下，随着电介质板张数的增加，平行板电容器的电容值减小，即两极板距离越大，平行板电容器电容值越小（图4）。

（2）探究电介质与电容值的关系，可以在两极板间插入厚度和张数均相同的不同介质材料板，再测量出不同电介质材料下具体电容值（如图5、表2）。

分析：可以看到两极板距离和正对面积相同的情况下，插入电介质不同，电容值不同，电容与电介质材料有关（图6）。

（3）探究平行板电容器正对面积与电容值的关系，同一塊铝塑板，两极板（铝膜）距离相等，电介质相同。测量时，将数字电容表正负极分别接在铝塑板两边，读出正对面积为总面积的S/2、S/4、S/8、S/16时对应的电容值，完成定量探究（如图7、表3）。

分析：可以看到在极板距离、电介质相同的情况下，随着正对面积的减小，电容值在成倍减小，并且正对面积与电容之间成正比（图8）。（由于此实验中，没有办法固定导线夹，读数波动较大，可使用电容表锁定示数功能，方便读数）。

4    评价与总结

用数字电容表直接测量电容值灵敏、精确，且不受空气湿度影响;直接改变两极板间同种介质板的张数来改变极板距离，测量精确、方便，能定量得出电容与极板距离的关系（由于极板表面涂有绝缘漆，因此不能精确得到反比关系，但可以明显观察到反比趋势）;保持极板间插入介质板张数一样，改变介质板种类，能定量得出电介质与电容的关系;长方形铝塑板一面面积分别为S/2、S/4、S/8、S/16，可精确测量出电容值随着正对面积成倍变化，得到正对面积与电容值正比的关系。

该教具相比于传统实验更精确，且不受外部环境和人为操作影响，探究过程简捷，实验结果可靠，在探究平行板电容器电容大小的决定因素时，具有很大优势。能够激发学生在探究性实验过程中的积极性和主动性，在科学探究中，加深对电容概念、电容影响因素的理解，养成严谨认真、实事求是的科学态度。

参考文献：

[1]陈熙谋，吴祖仁.教科版高中物理选修3-1[M].北京：科学教育出版社，2017：31-32.

[2]梁开展.“研究影响平行板电容器电容大小的因素”的实验器材及方法的改进[J].中学物理教学参考，2016，45（4）：95.

（栏目编辑    王柏庐）