用實(shí)例看全新實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中的作用

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數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一種全新的軟硬件一體化的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它具有多類型的傳感器、多通道的數(shù)據(jù)采集器、多樣化的自主操控平臺以及強(qiáng)大的函數(shù)圖象處理系統(tǒng)，具有測量呈現(xiàn)實(shí)時化、現(xiàn)象規(guī)律可視化、數(shù)據(jù)處理簡單化的特點(diǎn)。利用好數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以完成一些傳統(tǒng)器材無法實(shí)現(xiàn)的重要實(shí)驗(yàn)，也可以有效彌補(bǔ)一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，使實(shí)驗(yàn)效果更加明顯。下面就“探究電容器的電量與電壓的關(guān)系”來進(jìn)行說明。人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理第一章“靜電場”第八節(jié)“電容器的電容”重點(diǎn)介紹了一種重要的電學(xué)元件———電容器。筆者嘗試?yán)脭?shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)探究電容器的電量與電壓的關(guān)系，并將實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果呈現(xiàn)出來。筆者建議在“電容器的電容”教學(xué)中增加“探究電容器的電量與電壓的關(guān)系”這一實(shí)驗(yàn)，從而更好地理解電容器這一概念。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

用傳感器探究電容器的電量與電壓的關(guān)系。

二、實(shí)驗(yàn)器材

計算機(jī)、Edislabpro400數(shù)據(jù)采集器、電壓傳感器、電流傳感器、電源（實(shí)驗(yàn)臺上的直流輸出）、電容器（320μF）、電阻（1000Ω）、開關(guān)（單刀雙擲）、導(dǎo)線等。

三、實(shí)驗(yàn)原理

利用電流傳感器測量放電電流隨時間的變化，并做出放電電流隨時間變化的圖象，其中放電電流圖線與橫軸之間所圍的面積就是放電電量，即電容器的帶電量。改變電壓，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，并求出電量與電壓的比值，從而得出在電容一定的情況下，電容器的電量與電壓成正比的結(jié)論。

四、實(shí)驗(yàn)電路

實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示，主要由充電電路和放電電路兩部分組成，通過單刀雙擲開關(guān)控制選擇：扳到a，對電容器進(jìn)行充電，其充電電壓可以通過分壓電路進(jìn)行控制，并由伏特表讀出；待充電結(jié)束后，扳到b，電容器開始放電，其放電過程通過電流傳感器實(shí)時測量，并直接輸入計算機(jī)進(jìn)行處理。

五、實(shí)驗(yàn)操作及數(shù)據(jù)處理

1.按圖1所示連接好電路，圖中電壓表、電流表分別用電壓傳感器、電流傳感器取代，傳感器通過數(shù)據(jù)線和數(shù)據(jù)采集器與計算機(jī)相連，并且在電源兩極之間并聯(lián)1個電壓表。2.進(jìn)入Edisla實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，選擇所用的電流傳感器、電壓傳感器，選擇合適的量程并進(jìn)行調(diào)零。3.先點(diǎn)擊“開始”，再將單刀雙擲開關(guān)扳到a，給電容器充電，待充電完畢后，再將單刀雙擲開關(guān)扳到b進(jìn)行放電，最后點(diǎn)擊“停止”。4.在進(jìn)行上述步驟的同時，Edisla實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)會自動生成充電、放電電流隨時間變化的圖象以及充電、放電電壓隨時間變化的圖象，如圖2所示。5.點(diǎn)擊工具欄中的“選擇”按鈕，在鼠標(biāo)為箭頭樣式的情況下，點(diǎn)按左鍵，拖動鼠標(biāo)，松開左鍵，可以選擇圖象中一定的區(qū)域。利用“數(shù)據(jù)分析”中的“積分”功能，可以很快得到圖線所圍面積（圖3、圖4），該面積即為電容器充電、放電時的帶電量，即電容器的帶電量Q。6.根據(jù)圖3、圖4所示的2次實(shí)驗(yàn)，可以列出數(shù)據(jù)表格1?？梢钥闯?，在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)，電量Q與充電電壓U之比為定值，它反映了電容器儲電能力的強(qiáng)弱，通常將其定義為電容器的電容，并由表1可得該實(shí)驗(yàn)所使用的電容器的電容約為354μF。

六、實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

1.該實(shí)驗(yàn)是對傳統(tǒng)的電容器充放電實(shí)驗(yàn)的延伸和拓展。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，教師雖然可以通過燈泡或二極管的亮暗或電容器的火花放電來演示電容器的充電、放電現(xiàn)象，但是卻無法測出電容器所帶的電量，也不能探究出電量與電壓的對應(yīng)關(guān)系。因此，該實(shí)驗(yàn)填補(bǔ)了一項(xiàng)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的空白。2.只要選擇合適的電容器（電容較大的）與放電電阻（適當(dāng)大一些，如1000Ω），連接好電路，操作就會很簡單，效果也非常好。因此，該方法值得各位同仁借鑒。