利用DIS研究电容器的充放电暂态过程，本文主要内容关键词为：电容器论文,过程论文,充放电论文,DIS论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
电容器有容纳电荷的本领，在充电或放电时，电路中会有瞬间电流。那么，在充电或放电的暂态过程中，影响暂态过程长短的因素是什么？在此我们设计了演示实验和探究性实验，分别定性演示和定量探究，来研究电容器暂态过程的影响因素。
一、设计演示实验，定性研究电容器的暂态过程
电容器与直流电源接通瞬间，回路中会有充电电流；已充电的电容器，与直流电阻接通瞬间，会有放电电流，这一过程能说明电容器有容纳电荷的本领。如图1连接线路，电键S为单刀双掷开关。当电键S接到1位置时，电容被充电，小灯泡发光，并且亮度随时间逐渐变暗直至熄灭；接着把电键S打到2位置，小灯泡再次发光，其亮度逐渐变暗直至熄灭。
演示实验说明，电容器有容纳电荷的本领，在充电和放电过程中，回路中有暂态电流。猜测这个暂态过程的长短与哪些因素有关？在充放电电路中，只有直流电源、电容器、电阻等元件，我们可以分别改变电源的直流电压、电容器、电阻等，观察小灯泡发光时间的长短，来定性研究暂态过程长短的影响因素，也可以进行测量，定量研究暂态过程长短的影响因素。
二、设计探究性实验，定量研究电容器的暂态过程
1.设计测量电路
如图2电路中，在电路中串联电流传感器，并将其设置为电流一时间变化，可测量在电容器充放电过程中，电流随时间变化的关系图象，将单刀双掷开关先打到1，再打到2，电流传感器记录电流随时间变化的关系如图4所示。
图1
图2
图3
图4
说明 图2电路中，在研究充放电过程时，一般R值较大，充放电电流很小，会使测量误差加大。当回路中电流变化时，电容器两端电压也会相应变化，故在定量研究暂态过程长短时，为减小误差，采用如图3所示电路，在电容器两端并联电压传感器。将图3中电键先打到1再打到2，电压传感器记录的电容器两端电压变化如图5所示。在探究充放电暂态时间时，我们采用的是图3电路图。
图5
另外，从原理上，电容器充放电时间为无穷大，所以理论上规定充电暂态过程为充电开始到电压增大到最大值的0.632倍所需时间，放电暂态过程为从放电开始到电压减为最大值的0.368倍所需时间，实验中测量的充电暂态时间和放电暂态时间均按此标准。
2.固定电容及电阻不变，改变充电电压
取电容C=96.54μF，电阻R=10kΩ，改变电源电压，将学生电源电压分别打到6V，8V，10V，测量充电暂态时间和放电暂态时间，数据填入表1。
表1
从表1中看出，当充电电压变化时，充电暂态时间和放电暂态时间在误差允许范围内基本不变，由此得出结论：暂态过程的长短与充电电压无关。
3.保持充电电压不变，探究暂态过程与电容、电阻的关系
图3电路中，将学生电源电压保持在8 V，改变电容和电阻，测量充电和放电的暂态时间，数据填入表2。实验中，我们分别采用了100μF、220μF、330μF三个电容器，由于电容器的电容准确值与真实值之间误差较大，为不影响探究的科学性，对每个电容器，分别测定其准确值为96.54μF、234.23μF、367.32μF。为使暂态过程时间长一些，减小时间的测量误差，回路中的电阻分别为10kΩ、20kΩ、30kΩ，测量过程为三次测量取平均值。
表2
图6
将数据取C=96.54μF，电阻分别为10kΩ、20kΩ、30kΩ的充电及放电过程放在Excel中进行处理（图象如图6）。取电阻为30kΩ，电容分别为96.54μF、234.23μF、367.32μF的充放电过程放在另一张Excel中进行处理（图象如图7）。
从图6和图7中可以看出，充电暂态图线与放电暂态图线基本重合，即在充电和放电暂态时间在误差允许范围内相等，充放电暂态时间随电路中电阻的增大而线性增大，随电容器的电容值增大而线性增大。
图7
三、总结
研究电容器的暂态过程，能加深学生对电容器性质的进一步理解，探究电容器的暂态过程，可作为中学生课外探究性实验题材，增强学生的探究能力。