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电容器带电量和电势差定性关系演示仪

１　实验器材

２只剥了外罩且卸了电池、时针、分针的石英钟,１只数字电压表,２节干电池,１个单刀双掷开关,导线若干.

２　实验设计原理

电容器充电前,电容元件中未储有能量,即电容器两端电势差UC ＝０.充电过程中,随着电容器两极板上所带等量异种电荷的增加,形成电流,接在充电电路中的石英钟秒针走动起来,电容器两端电势差逐渐增大,电容器充电电压UC ＝U (１－e－t/τ),其中时间常数τ＝RC,时间常数τ愈大,UC增长愈慢,一般经过３~５τ的时间,即可认为达到稳态,即电路中电流为零,充电电路中的石英钟秒针停止走动,电容器两端电势差UC ＝U .电容器放电过程中,电容元件充电电压达到电源电压U 时(即UC ＝U ).闭合开关,随着电容器两极板上电荷量的减少,放电回路中形成短暂的电流,接在放电回路中的石英钟秒针就会被短暂的电流所驱动,UC 逐渐减小,电容器放电电压UC ＝Ue－t/τ,其中τ＝RC.时间常数τ愈小,UC 衰减愈快,即电容器放电愈快.放电结束,电路中电流为零,放电回路中的石英钟秒针停止走动,电容器两端电压UC ＝０.

３　实验设计简图

实验设计如图１、２所示.

４　使用方法

(１)如图１所示,将单刀双掷开关向A 点闭合,让电源对电容器进行充电,左边电路形成一个充电回路,石英钟秒针走动起来,数字电压表示数在不断增加.充电结束时石英钟秒针停止走动,数字电压表显示电容器两端的电势差近似等于电源电压.引导学生总结得出电容器在充电时两极板间的电荷量Q 增加,两极板间的电势差U 也在增加.

(２)将单刀双掷开关向B 点闭合,让电容器进行放电,右边电路形成一个放电回路,石英钟秒针走动起来,数字电压表示数在不断减少.放电结束时石英钟秒针停止走动,数字电压表显示电容器两端的电势差近似等于零.引导学生总结得出电容器在放电时两极板间的电荷量Q 减少,两极板间的电势差U 也在减少.

５　主要特点

本装置取材方便,结构简单,便于存放,用石英钟放慢且放大了电容器的充放电现象,充放电过程中的变化能清晰显示出来,具有较高的可见度,在教学中能够给学生带来强烈的视觉冲击.同时,该演示实验证实了电容器是储能原件,其电容就表征了电容器储存电荷的本领.

６　注意事项

(１)为达到较好的演示效果,所用电容器的电容量要尽可能大(１０００μF以上为宜).本装置选用的是电容量２２００μF耐压５０V的电解电容器.

(２)为了增强演示效果,突出面板上的主要元件,在设计电路时把连接部分藏在了木板的背面.

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