用实例看全新实验系统在实验中的作用

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数字化实验系统是一种全新的软硬件一体化的实验系统，它具有多类型的传感器、多通道的数据采集器、多样化的自主操控平台以及强大的函数图象处理系统，具有测量呈现实时化、现象规律可视化、数据处理简单化的特点。利用好数字化实验系统，可以完成一些传统器材无法实现的重要实验，也可以有效弥补一些传统实验的不足，使实验效果更加明显。下面就“探究电容器的电量与电压的关系”来进行说明。人教版普通高中课程标准实验教科书物理第一章“静电场”第八节“电容器的电容”重点介绍了一种重要的电学元件———电容器。笔者尝试利用数字化实验系统探究电容器的电量与电压的关系，并将实验过程和结果呈现出来。笔者建议在“电容器的电容”教学中增加“探究电容器的电量与电压的关系”这一实验，从而更好地理解电容器这一概念。

一、实验目的

用传感器探究电容器的电量与电压的关系。

二、实验器材

计算机、Edislabpro400数据采集器、电压传感器、电流传感器、电源（实验台上的直流输出）、电容器（320μF）、电阻（1000Ω）、开关（单刀双掷）、导线等。

三、实验原理

利用电流传感器测量放电电流随时间的变化，并做出放电电流随时间变化的图象，其中放电电流图线与横轴之间所围的面积就是放电电量，即电容器的带电量。改变电压，重复实验，并求出电量与电压的比值，从而得出在电容一定的情况下，电容器的电量与电压成正比的结论。

四、实验电路

实验电路如图1所示，主要由充电电路和放电电路两部分组成，通过单刀双掷开关控制选择：扳到a，对电容器进行充电，其充电电压可以通过分压电路进行控制，并由伏特表读出；待充电结束后，扳到b，电容器开始放电，其放电过程通过电流传感器实时测量，并直接输入计算机进行处理。

五、实验操作及数据处理

1.按图1所示连接好电路，图中电压表、电流表分别用电压传感器、电流传感器取代，传感器通过数据线和数据采集器与计算机相连，并且在电源两极之间并联1个电压表。2.进入Edisla实验系统，选择所用的电流传感器、电压传感器，选择合适的量程并进行调零。3.先点击“开始”，再将单刀双掷开关扳到a，给电容器充电，待充电完毕后，再将单刀双掷开关扳到b进行放电，最后点击“停止”。4.在进行上述步骤的同时，Edisla实验系统会自动生成充电、放电电流随时间变化的图象以及充电、放电电压随时间变化的图象，如图2所示。5.点击工具栏中的“选择”按钮，在鼠标为箭头样式的情况下，点按左键，拖动鼠标，松开左键，可以选择图象中一定的区域。利用“数据分析”中的“积分”功能，可以很快得到图线所围面积（图3、图4），该面积即为电容器充电、放电时的带电量，即电容器的带电量Q。6.根据图3、图4所示的2次实验，可以列出数据表格1。可以看出，在实验误差允许范围内，电量Q与充电电压U之比为定值，它反映了电容器储电能力的强弱，通常将其定义为电容器的电容，并由表1可得该实验所使用的电容器的电容约为354μF。

六、实验优点

1.该实验是对传统的电容器充放电实验的延伸和拓展。在传统实验中，教师虽然可以通过灯泡或二极管的亮暗或电容器的火花放电来演示电容器的充电、放电现象，但是却无法测出电容器所带的电量，也不能探究出电量与电压的对应关系。因此，该实验填补了一项传统实验的空白。2.只要选择合适的电容器（电容较大的）与放电电阻（适当大一些，如1000Ω），连接好电路，操作就会很简单，效果也非常好。因此，该方法值得各位同仁借鉴。