平行板电容器实验的探讨教材

1、平行板电容器实验的探讨平行板电容器实验的探讨摘 要 : 主要讨论平行板电容器实验原理，静电计对平行板电容器实验的影响。 当距离较小的时候，静电计的电容可以忽略，当距离较大时则影响较大。另外， 还对实验效果进行了分析讨论。分析了“平行板电容器的电容”演示实验中与静 电计指针偏转变化量有关的因素关键词 : 平行板电容器 电容 静电计Experimental Parallel Plate Capacitor DiscussionAbstract: This paper analyzed the factors related to the deflection variable of elect r

2、emoter pointer in the demonstration experiment of capacity of parallel plate capacitor. Discussed parallel plate capacitor experimental principle, the terms of electrostatic parallel-plate capacitor capacitance. When the smaller distance, or the electrostatic capacitance can be ignored, when the dis

3、tance is greater when a greater impact. Furthermore, the experimental results were analyzed and discussed.Key words: parallel plate capacitor capacity elect remoter9目录1平行板电容器的基本原理 41.1实验装置和方法41.2实验中的注意事项52静电计对电容的影响 62.1静电计影响的原理分析 62.2实验过程62.4结论83静电计指针偏转的分析 93.1 心与平行板电容器的电容的变化量 C有关 93.2 心与平行板电容器的初始电容

4、CO有关 103.3 丄，与电路中的分布电容有关 103.4 与静电计的U -r显示特性曲线有关 113.5 结论11致谢错误！未定义书签。参考文献11引言现代教学思想认为，学科教学的任务在于通过传授知识，激发学生的学习潜能， 培养学生的能力，全面提高学生的素质，将蕴藏在学生中的巨大潜能转化为积极 主动的创造力。物理学科在培养学生理解能力、推理能力、综合分析能力、运用数学知识处理 问题的能力和实验能力等方面都发挥独特的作用。贯穿于各种能力，并在各种能 力中决定性作用思维能力的培养与提高。 实验教学不仅是只是向学生展示物理现象的过程，同时也是培养学生观察能力和 思维能力的手段。因此，只有流畅的实

5、验过程、清晰的实验现象，才能是学生积 极地对事实材料进行分析、综合、抽象和概括。而不是实验看热闹、分析等老师、 笔记记结论。思维的敏捷性表现在善于随机应变，摆脱迷信，根据客观条件的发展变化做出 迅速的具体的分析。多年的应试教育的结果，往往使学生迷信于课本，迷信于教 师，思维僵化。实验教学中也应该注意改变思路，教者可以根据教学内容教学条 件所作出的异于教材的设计思路和实验方法，能刺激学生的思维敏捷性，启迪学 生挖掘自身的思维潜力，对问题作出迅速的判断和处理。中学物理实验是物理课的一个重要组成部分，同时对于培养学生的动手能力， 掌握物理知识，发展智力，活跃思想，扩大知识面，培养学生对科学的热爱和科

6、 学作风以及形成辨证唯物主义世界观等方面都具有重要的意义。当然这方面还有 许多工作等待我们去实践、去探索、去总结，在前进过程中还可能会遇到许多困 难，但只要我们知道思想明确，同时有能用改革创新的精神去处理一些问题，就 必然会取得突破和进展。因此，加强中学物理实验的研究是一项十分有意义的事 情。1平行板电容器的基本原理1.1实验装置和方法在研究平行板电容器的电容与哪些因素有关的问题时，所用器材有，铝圆板两块，指针验电器一台，有机玻璃板，绝缘手柄等，实验装置如图1.1所示。其操作、现象及说明如下：1. 用绸子摩擦有机玻璃棒，起电后用棒接触验电器上的铝圆板 1,使验电器指针张 角尽可能地大些。2.

7、手持另一块铝圆板2的手柄井握住导线（使该板通过人体接地）。3. 然后由远及近的向固定铝圆板1靠近，这时可看到验电器指针由大变小，移动铝圆板使两圆板靠近，此时验电器张角变小，反之增大（现象一）图1.1平行板电容器实验装置上述实验说明：平行板电容器的电容随两板距离的减小而增大（或增大而减小）。4. 使两板保持尽可能小的距离，只改变两极板的正对面积（不改变距离），使手持铝圆板2左右平移，即可看到，正对面积越小，验电器的指针张角越大，反之亦 然（现象二）上述实验说明：平行板电容器的电容随两板正对面积的减小而减小（或增大而增大）保持极板所带电量、距离和正对面积都不改变时，将有机玻璃板（电介质）插人两板间

8、，这时验电器的指针张角变小（现象三）。上述实验说明：平行板电容器的电容由于插人有机玻璃板 （电介质）而增大。如何解释或说明上述实验现象，又如何使学生从根本上理解该问题的实质，对此我们将作如下的具体分析:根据公式：C=Q式(1-1)U及C s式(1-2)4rkd当用带电体与铝圆板1接触时，验电器就带上了一定量的电荷，验电器指针有一张 角，此时板上的电量Q 一定，当用手持铝圆板2移近铝圆板1,此时d减小。由公式 (1-2)知：当；、S不变，d减小时，贝皿容c增大；再由公式(1-1)得Q一定，C增大, 则u减小，即电势差减小，表现在验电器上就是指针张角变小，与演示结论相符。同理可推出，当分别改变s或

9、；时，相应的C也随之改变，用公式(1-1)和公式(1-2) 可推出u的变化，进而得出验电器的指针张角的改变，与现象二、现象三相符。实 践证明，在进行该实验演示时，倘若用上述方法进行公式推导和理论解释，具有 较强的说服力，有利于学生加深对该问题的理解和认识，收到良好效果。1.2实验中的注意事项静电演示实验是高中阶段比较难做的一部分实验，静电的特点是电压高，带电量少；由于电压高，就容易漏电；由于带电量少，就经不起漏，这就是往往造成实验 失败的原因。演示平行板电容器的电容与有关因素各物理量间的变化关系，而在实际演示中静电计指针往往摆动角度很小或者根本不动。要解决静电学的实验问题 就应解决漏电的问题，

10、应从以下几个方面着手：1 应尽量减小两极板间的距离，手拿极板时应握着绝缘柄，绝对不能使身体接 触实验器件。实验时动作要快，极板带电后应立即进行演示，以减少漏电损失。2. 尽可能的缩短实验器件间的导线长度，导线之间要尽可能的远离，减小异线 间、导线与仪器间的分布电容，以尽量避免演示中的放电现象。3. 要保持实验仪器及丝绸、毛皮的干燥、洁净。可在演示前用大功率白炽灯泡或远红外烘烤；还可用烘干箱或电炉烘烤。物品干燥后应立即进行实验。但这种 方法烘烤时间不好掌握，受热不均匀，还容易损坏仪器。针对这些问题改用大功率 电吹风进行干燥处理，效果很好。电吹风便携方便、使用简便、干燥处理可随堂进 行，干燥时间容

11、易掌握，电吹风干燥仪器受热均匀，可轻可重，还可对丝绸、毛皮等 物品进行干燥，即使是在阴雨天演示效果也很理想。2静电计对电容的影响2.1静电计影响的原理分析由于静电计的接入，实验中当改变平行板电容器的电容时，其电容器上的电量 是在改变的，且变化范围是比较大的，因为静电计本身有一定的电容且保持不变， 静电计和平行板电容器并联，各自所带的电量与其电容大小成正比，当静电计指 针变化时，即电势差改变，则静电计上所带的电量必然随着变化。由于总电量是 保持不变的，显然电容器上所带电量也必须相应发生改变。用图所示的实验，在不改变A、B两极板所带的电量，只改变两极板间的距离条件下，可以看到静电计指 出的电容器两

12、极板间电势差随着两极间距离的不同（即电容的变化）而变化这个演示实验容易成功静电计的金属杆和指针与外壳相当于一个电容值不大（且可设 为不变）的电容器C计，把它的金属小球与平行板电容器 C极的固定板A连接，金属 外壳与可动板B连接或同时接地，这时静电计与平行板电容器组成并联电容器组 C并.假设平行板电容器原带电量Q ,并联电容器组两极间电势差为u,则当二者并 联后有Q = Q计 Q板（Q计：静电计电量），U =Q 。当可动板B改C并 C计+C半变位置使C板发生变化时（C计不变），U也跟着变化,因而Q计二C计*U也发生相应 变化（此时电荷将在静电计与平行板电容间转移 ），静电计的指针也随着指到相应

13、的位置，从而表示出电容器两极间电势差 U的变化情况.对这个实验及其解释还需 作进一步的说明，否则学生就有可能提出这样的问题，既然实验的前提是不改变 平行板两极所带的电量 撚而Q计的变化却正是电荷在平行板电容器与静电计间转 移的结果，这是否与实验的前提条件相矛盾呢？其实这个实验能否达到预期的效果，关键是静电计的电容是否很小可以忽略不计？静电计的电容不易测量我们可 以通过下面的实验来比较静电计和电容器两者的电容大小。从而说明静电计对平 行板电容器实验的影响情况。2.2实验过程实验装置还是原来的平行板电容器实验装置，只是将带电板同静电计的一根连线换成放电叉。本实验分如下两个步骤进行。1. 给平行板电

14、容器及静电计带电，让静电计指针张开 60度，然后拿走放电叉, 将静电计上的电量放掉使指针闭合。再用放电叉把静电计与电容器带电板连接， 则静电计指针重新张开某一角度电容器上的电量部分移到静电计上，但张开的角 度比开始时要小。且差别非常明显，在此拿走放电叉并放掉静电计上的电量然后 再用放电叉连接，纸样如此进行下去。将电计指针一次比一次张开角度小。直到 最后静电计指针不自阿张开为止，记下放电次数。两板间对静电计放电对平板电容器放电距离次数次数d(cm)N （次）N (次)0.52131.01762.01272.51193.010104.07125.061410.0419表2.1放电实验数据2. 操作

15、步骤同第一步类是，开始还是让静电计指针张开60度（走道与第一步的开始条件相同）。拿走放电叉，现在讲电容器上的电放掉，然后再用放电叉将电 容器与静电计连接，这时静电计指针将明显减小，（静电计上的电量部分转移到 电容器上）。再拿走放电叉并再次放掉电容器上的电量，以后再用放电叉连接， 再对电容器放电这样如此重复进行下去，则静电计指针张开的角度一次比一 次减小，直到最后指针完全闭合为止，记下放电次数。静电计与电容器并联，各自所带电量与其电容大小成正比。在一切条件不变时，由上边 两步实验比较分析，即通过比较两种放电次数的多少，可以得出两者电容大小的关系，即哪 一种放电次数较多，则说明在其上分配的电量较少

16、，即它的电容就较小，反之则电容较大。 下表列出实验得到的实验数据。(尽管不同时间实验所得的数据不同，但反映的变化规律是 相同的)2.3 分析与讨论对表2.1 实验数据分析如下：1对静电计的放电次数反映的是平行板电容器的带电量，而对平行板电容器的 放电次数反映的则是静电计的带电量，随着平行板电容器两板之间距离的增加， 通过对静电计的放电次数在减少，而通过对电容器的放电次数却在增加。这说明 了两板之间距离越小，静电计上分配的电量相对越少，反之越多。2. 当两板间距离小于2厘米时，通过对静电计的放电次数相对较多，这说明在静电计上的电量相对分的较少，则其电容比电容器的电容较小，特别在0.5厘 米以内，

17、放电次数相差很多，就是静电计的电容远比电容器的电容小，在这种情 况下可以忽略静电计的电容。3. 当两板间距离大于3厘米时，通过对静电计的放电次数相对较少，这说明在 静电计上分配的电量相对较多，其电容大于电容器的电容，距离越大，相差越多。4. 当两板间的距离在23厘米之间，两种情况下的放电次数相当，这说明在 静电计和电容器上的电量分配多少相当，则两者的电容大小也相当。从表中可以 看出当距离为 3.0厘米时，放电次数相等，则这时两者电容相等 .由此方法可以粗 略地测出静电计的电容值。由上表取两板间距离为 3.0 厘米，根据公式 (1-2) 带入数据可以得出平行板电容器的电容为 9.1 皮法，则本实

18、验所用静电计的电容约 为10皮法左右。2.4 结论这从表中的测量数据也可看出,在板距d从0.5cm增加到1.0cm的过程中,转移 到静电计上的电量变化是很小的 , 因此前面的“不改变平行板两极所带的电量 , 只 改变两极间的距离” 这一说法并非平行板上的电量绝对不变化 , 仅仅是因为变化很 小而略去不计罢了 .实际上正由于电量的转移对平行板所带电量的影响可忽略 ， 才可以认为静电计是测量电势差的仪器.其测量的准确度由被测导体和静电计的 电容及其接触情况所决定，C计比C板越小，其测量的准确度越高.当距离较大时候， 静电计的电容在实验中不能忽略。那么实验中就不能把平行板电容器上的电量看 作保持不变

19、，实际上电量有较大的变化。.在中学物理教学中为了使问题简化，可 以不考虑静电计的影响，认为电容器上的电量保持不变。但我们应当清楚的知道静 电计对平行板电容器电容的影响。3静电计指针偏转的分析平行板电容器的电容与哪些因素有关，课堂教学中都是通过演示实验来研究该 问题的在教学实践中发现，该实验的效果时好时差，主要反映在静电计指针的偏 转角的变化有时较大，有时较小，平行板电容器的电容变化是通过静电计的指针张 角变化表示出来的，而静电计的指针张角的大小又与静电计的外壳与金属棒之间 的电势差大小有关，在该实验中，静电计指针的张角变化越显著，实验效果就越 好，静电计指针张角的变化量的大小宀与下列一些因素有

20、密切关系。3.1 宀与平行板电容器的电容的变化量 C有关根据电容的定义式C =Q可知,在Q不变的条件下,C减小得越多,U增大得越 多，由于电容器的两板分别与静电计的外壳和金属棒连接 ，所以厶C越大，静电 计的张角.心变化也越大由于C* ；s在只改变d的情况下,两板间距离d变化越d大，C越大，宀越大，则实验效果越明显，但是实验中却常常出现下述现象：1.即使两板间距离变化很大，但I变化并不明显；2当两板间距离大于10cm时，两板间距离增大时，指针的偏转角几乎不变这 些事实说明上述的原理分析是不全面的，我们应该对本实验的原理作进一步的探 讨。平行板电容器实验的探讨3.2 与平行板电容器的初始电容 C

21、O有关因C*仝，在只改变d的情况下,根据微分原理，厶C* -肓 d ,这说明厶C dd的大小不仅与=d有关，还与d的值有关（d的值越小，即初始电容越大，厶C就越大）这一点在图1中看得很清楚：若di-do=d2 -di,即当二di=. ： d2时，.：Ci = Co - Ci,：C2 = Ci - C2,由图可知,.CC2,说明变化相同的 d，但电容图3.1 C d关系曲线3.3 宀与电路中的分布电容有关在前面的探讨中，我们始终认为实验中只有一个电容器 （就是平行板电容器）其实, 静电计也是一个电容器（记为C计）,两根导线也是一个电容器（记为C线）,这三个电 容器是并联的，只有当C板 （C计+ C线）时，才可以忽略C计与C线，我们前面的 分析才是正确的，一般地，（C计+ C线）的数量级为iopF i,而我们演示实验所用的平行板电容器的平板直径约 2Ocm ,以空气为介质时，它的电容与两极间距离 d的关系见表i电容与极间距离关系d/cmO.5i.O2.OiO.O2O.OC/pF5628i42.8i.4表3.i电容与极间距离关系可见，当d大于iOcm时,（C计+ C线） C板，这时的电路中起主导作用的电 容已不是