尤燕 丁永文
摘 要： 通过对人教版高中物理选修3-1中“研究影响平行板电容器电容大小的因素”中的实验装置进行分析，制作了平行板电容器决定式演示仪，使学生能定量地、直观地感受平行板电容器的电容值与两极板间距、极板正对面积、介质介电常数的关系，加深对平行板电容器的理解.
关键词： 演示仪;平行板电容器;影响因素;介电常数
文章编号： 1008-4134（2019）23-0036 中图分类号： G633.7 文献标识码： B
1 平行板电容器演示装置的不足
人教版高中物理《物理选修3-1》中第一章第八节介绍了电容器的相关知识.教材内容提到了“研究影响平行板电容器电容大小的因素”演示实验装置，如图1所示，该装置通过静电计指针的变化得知两极板板间电势差的变化，根据电势差的变化判断电容的变化，虽然该实验装置帮助学生理解物理概念，但是实验装置在进行操作和实验结论得出的过程中存在一些不足之处[1]：第一，实验装置是利用静电计，因此要求实验环境极高，图1（a）和（b）改变正对面积和两板间的距离，一般课堂上很难看到静电计的偏角发生明显变化，演示效果不明显;第二，实验无法对极板间距、正对面积等进行定量测量，只能通过观察静电计偏角大小来间接反映电容器电容的变化，因此，实验只能是定性描述.定性研究的前提是电容器两极板带电量Q值恒定，而这一点在实际操作中很难保证;第三，学生对静电计工作原理的理解存在很大困难，增加了学生对该实验的理解难度.
2017版《普通高中物理课程标准》以促进学生发展为导向， 将育人作为出发点， 并在课程标准中明确学科核心素养，物理学科核心素养首要是物理观念[2，3].高中学生已经具备一定的分析推理和逻辑思维能力[4]，高中物理实验教学设计是培养与训练学生动手操作能力与创造性思维能力的重要途径[5].本文利用螺旋测微器、滑块、轨道、铝板以及数字电容表制作成仪器，实现了精密的定量测量，通过平行板电容器两极板间距和两极板正对面積的精密测量，读取每种条件下电容器的电容值，调动学生的好奇心和培养学生的创新思维能力，激发科学探究的兴趣，理解物理概念充分，设计思路清晰，得出正确的结论.
2 演示仪的设计与制作
2.1设计原理
2.2 设计思路
根据实验原理，用两块铝板制作平行板电容器.设计思路如图2所示.一块铝板固定在螺旋测微器上，另一块铝板固定在滑块上，通过调节螺旋测微器改变两极板之间的距离，研究电容与极板间距的关系.通过在轨道上移动滑块改变两极板正对面积，为了更加清晰地观察两极板间正对面积的变化，在铝板上画上等分线，研究电容与极板正对面积的关系.在两极板间插入不同介质板，研究电容与介质介电常数的关系.电容值用数字电容表测量，可以得出具体的数值关系，实现定量分析.
2.3 设计材料与实验过程
本装置需要大木板1块、小木块2块、螺旋测微器1个、铝板2片、电介质平板2块、电容表1个、导线2根、螺柱2个.平行板电容器决定式演示仪实物图如图3（a）所示.
具体实验过程如下：
（1）保持两极板间的正对面积不变，调节螺旋测微器使两极板的不同间距时，观察电容表的示数，如图3（b）所示.
（2）在电容器两极板上画上等分线，研究电容与极板正对面积的关系，通过移动滑块使正对面积不同时，观察电容表示数，如图3（c）所示.
（3）向两极板间插入其他电介质的时候会发现电容表的示数发生变化，如图3（d）所示.
2.4 演示仪的优点
平行板电容器决定式演示仪，仪器简单，容易操作，灵敏度、稳定性较高，能够达到新奇的演示效果，从而调动学生学习物理实验的积极性，激发学生对物理实验的兴趣，不仅培养学生动手能力，更重要的是引导学生培养学生的创新思维能力.
本装置设计亮点有：一是利用螺旋测微器结构与平行板电容器两极板的有机结合，通过调节螺旋测微器实现平行板电容器两极板间距变化的精密测量;二是通过滑块解决了两极板正对面积的定量变化;三是用电容表直接测量平行板电容器的电容值，由于不需要给电容器带电荷，因此实验不受环境条件影响.
3 演示仪在教学中的应用
演示实验时，引导学生结合平行板电容器的定义式，观察实验过程，依据仪器设计原理，首先保持两极板间的正对面积3S不变，未加任何电介质，调节螺旋测微器使两极板间距为5mm，通过电容表读数.调节螺旋测微器使两极板间距分别为7mm、9mm、11mm、13mm、15mm，读取的电容值计入表1.保持两极板间的正对面积3S不变，添加电介质，重复上述过程再次记录数据.
保持两极板间不添加电介质，调节螺旋测微器使两极板间距为11mm时的正对面积分别是3S、2S、S时电容表读数.调节螺旋测微器使两极板间距为13mm时，重复上述过程，电容值见表2.
通过学生观看测量数据使其对平行板电容器决定式有了更深刻的理解和认识，突出螺旋测微器在本实验中的精密测 量，将抽象的物理公式，用实验装置展示在学生面前，使学生身临其境感受平行板电容器决定式的原理.该装置简单容易操作、灵敏度、稳定性较高，能够达到新奇的演示效果，从而调动学生学习物理实验的积极性，激发学生对物理实验的兴趣，使学生在观察演示实验的过程中，逐渐形成一种敏锐的观察能力，使学生在观察实验的同时思考平行板电容器的工作原理及其用途，加深了学生对物理知识的学习与理解.
参考文献：
[1]马顺存.对平行板电容器实验装置的改进[J].物理实验，2018，38（08）：63-64.
[2]彭兆光.浅谈高中物理实验教学中的创新教育[J].物理教学，2010，32（07）：32-35.
[3]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017版）[M].北京：人民教育出版社，2018.
[4]张鹉.论可视化教育理论与高中物理教学创新[J].物理教师，2018，39（12）：23-25+29.
[5]卞望来.创新物理实验教学 培养学生核心素养[J].物理教学，2019，41（02）：25-27.
（收稿日期：2019-09-14）
