電容器的電容創(chuàng)新實驗及教學(xué)設(shè)計

《電容器的電容》南昌市第二中學(xué)鄒新政一、教材分析與學(xué)情分析《電容器的電容》是人教版高中物理教材必修3第十章第四節(jié)，是本章《靜電場中的能量》靜電場知識的應(yīng)用部分，主要內(nèi)容是認識一種能夠儲存電能的電學(xué)器件，高中物理《物理課程標準》要求是觀察常見電容器的構(gòu)造，了解電容器的電容。舉例說明電容器在技術(shù)中的應(yīng)用。2.學(xué)情分析在此之前，學(xué)生在第九章靜電場及其應(yīng)用中已經(jīng)學(xué)習(xí)了電荷、電場等物理量，也知道了電荷間存在相互作用，理解了電荷在電場中存在能量，清楚了電的本質(zhì)便是電荷，為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)儲存電荷的“容器”——電容器進行了鋪墊；而在后面的章節(jié)中學(xué)生還將繼續(xù)學(xué)習(xí)電源電流等電子線路知識，總體而言本節(jié)在教材中起到了承上啟下的作用。二、實驗器材引入實驗由三個遞進的演示實驗構(gòu)成，使用到的器材有自制萊頓瓶、自制錫箔紙電容器、工業(yè)電容器。探究電容器充放電的規(guī)律實驗利用創(chuàng)客設(shè)備，自制DIS設(shè)備，包括自制DIS電流表和自制DIS電壓表。探究電容器電容的定義式使用的器材依舊是自制DIS電流表和自制DIS電壓表。探究平行板電容器電容的影響因素利用數(shù)字電容表自制探究平行板電容器電容的影響因素的教具電容器的應(yīng)用使用超級電容器（法拉電容）自制電焊機，焊接金屬。三、實驗創(chuàng)新點自制錫箔紙電容器結(jié)構(gòu)簡單直觀，效果好，便于學(xué)生認識電容器的基本結(jié)構(gòu)自制DIS電流表，電壓表數(shù)據(jù)不僅數(shù)據(jù)精準，且便于學(xué)生設(shè)計探究電路。自制探究平行板電容器電容的影響因素的教具，可以“定量”探究。超級電容電焊機的現(xiàn)場展示，讓學(xué)生有很好的學(xué)科體驗，認識到物理學(xué)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。四、實驗設(shè)計思路大致分為4個部分，首先通過引入實驗得出電容器的概念和基本結(jié)構(gòu)，然后通過探究實驗得出電容器充放電的基本規(guī)律，第三部分，用控制變量法設(shè)計多種方案，分別探究電容器電容的定義式和平行板電容器電容的影響因素，最后則舉例展示幾種電容器在社會生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。五、實驗教學(xué)目標1.物理觀念：（1）通過觀察和拆解電容器，認識電容器的結(jié)構(gòu)。（2）通過觀察電容器的充，放電的實驗過程!了解電容器的作用。（3）建立電容的概念；用類比的方法得出電容的定義和公式。2.科學(xué)思維：（1）利用圖像分析問題，增強數(shù)學(xué)抽象的思維能力及（2）用比值定義法和等分法來研究物理問題。（3）學(xué)會控制變量的實驗方法。3.科學(xué)探究：（1）讓學(xué)生通過質(zhì)疑、猜想、實驗，將獲得的信息歸納成結(jié)論。（2）分組實驗，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題的能力和溝通交流、合作的能力。4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：在實驗探究、演繹、思考的過程中，培養(yǎng)“大膽質(zhì)疑，小心求證”的科學(xué)態(tài)度經(jīng)歷認識電容器的學(xué)習(xí)過程，形成對科學(xué)和技術(shù)的正確態(tài)度。通過對電焊機，電容屏以及我國超級電容器研制成功相關(guān)資料的學(xué)習(xí)感受物理在生產(chǎn)生活的作用，激發(fā)民族自豪感、社會責(zé)任感。六、實驗教學(xué)內(nèi)容及主要過程（一）新課引入知識點：電容器概念和基本結(jié)構(gòu)創(chuàng)設(shè)情境：以弗蘭克林在雷雨天放風(fēng)箏，將雷電儲存在“萊頓瓶”中這一物理學(xué)史作為引入。環(huán)節(jié)一萊頓瓶使用靜電起電機自制一個“烏云”模型。同時比照歷史上“萊頓瓶”的結(jié)構(gòu)圖，現(xiàn)場與學(xué)生一道制作一個“萊頓瓶”并存儲“烏云”中的“雷電”，隨后現(xiàn)場放電，學(xué)生可以看到電火花產(chǎn)生，說明“萊頓瓶”可以儲存電。環(huán)節(jié)二A4錫箔紙電容器老師再展示一個教具，由兩張A4大小的錫箔紙構(gòu)成，用塑料薄膜過塑，平行疊放在一起，再次用“烏云”充電，可以發(fā)現(xiàn)電火花也很明顯。環(huán)節(jié)三對比和思考接下來，老師拆解一個工業(yè)用的電容器，發(fā)現(xiàn)電容器是由兩個金屬片間隔一層絕緣紙，卷起來的，引導(dǎo)學(xué)生，破解“萊頓瓶”的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部鹽水作為一級金屬板，瓶子外面的錫箔紙作為另一個金屬片，最后總結(jié)，其實電容器的結(jié)構(gòu)具有相通性，由此引入電容的概念和基本結(jié)構(gòu)。（二）研究電容器的充放電基本規(guī)律

引入實驗中，學(xué)生已經(jīng)知曉了電容器可以充電和放電，接下來具體研究其充放電規(guī)律。環(huán)節(jié)一讓學(xué)生設(shè)計探究電路師生活動，發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，請同學(xué)們設(shè)計電路，逐次增加電路的功能，比如，電路設(shè)計1.0要求實現(xiàn)單獨的基礎(chǔ)的充電和放電功能，電路設(shè)計2.0將充放電整合到一個電路中，電路設(shè)計3.0增加電流表，電壓表。以師生活動，不斷功能迭代的教學(xué)方式，讓學(xué)生在黑板上畫出探究電容器充放電基本規(guī)律的電路設(shè)計。環(huán)節(jié)二用自制DIS設(shè)備進行探究實驗上一環(huán)節(jié)，學(xué)生在黑板上繪制了設(shè)計好的電路圖，老師拿出自制的DIS教具，這個教具背部設(shè)計了磁鐵，可以直接吸附在黑板上，在學(xué)生設(shè)計的電路上搭建器具，同時，因為自制DIS教具采用藍牙數(shù)據(jù)連接，這樣實物電路和理論電路完全一直，進一步在phyphox軟件上呈現(xiàn)電容器充放電u-t和i-t圖像，環(huán)節(jié)三分析電容器充放電u-t和i-t圖像得出電容器充放電基本規(guī)律，即電容充電與放電過程中，電流方向相反，大小變化相反，充電時，電壓升高，放電時，電壓降低。（三）探究電容器的定義式此環(huán)節(jié)由2個對比實驗構(gòu)成。第一個實驗如圖，不同電壓，對同一電容器進行充放電，分別使用1.6V和3.2V兩種電源進行電容器充放電實驗，使用自制無線DIS設(shè)備，在phyphox軟件上呈現(xiàn)電容器充放電U-t和I-t圖像，引導(dǎo)學(xué)生得出Q/U是一個定值，物理上將這個定值命名為電容器的電容。第二個實驗如圖，同一電壓對不同電容器進行充放電，電壓3.2V，電容器C1=1000μF，C2=3300μF，由于存在兩個電容器，因此，制作了兩個DIS無線電流表，分別記錄實驗數(shù)據(jù)，實驗如圖最后兩個實驗共同得出電容器的定義式：C=Q（四）探究平行板電容器的決定式區(qū)別于課本的實驗，傳統(tǒng)實驗使用靜電計和平行板電容器相連，只能定性判斷電容器決定式。本節(jié)課采用