探究电容器的电荷量与电压关系的创新实验

胡佳

(华中师范大学第一附属中学朝阳学校 北京 100025)

1 相关背景分析

为此，笔者提出了用转化法测量电荷量，自制教具用恒定电流给电容器充电，根据Q=It，通过记录通电时间t来计算电荷量Q，效果良好.

2 实验装置

要利用Q=It计算电荷量，必须使充电过程中的充电电流I恒定.现在市场上的恒流源造价昂贵，且输出电流为安培级别，要产生微安级别电流给电容器充电较为不便，笔者采用了实验室常规器材，具体为：8节干电池、阻值调到100 kΩ的电位器、1 750 Ω滑动变阻器、200 μA量程微安表、iPad mini计时器、电容器、15002型数字演示电压表(直流电压挡，量程为20 V)、导线、开关，自制了如图1所示的实验装置，通过手动调节滑动变阻器即可使充电电流I恒定.

图1 探究电容器的电荷量与电压关系的实验装置

3 实验步骤

(1)按图2电路图连接实验电路，电容器选用的是16 V,1 000 μF的电容器.

图2 实验电路

(2)闭合开关S1，同时按下开关S2和iPAD计时器按钮，迅速调节滑动变阻器，使得充电电流为10 μA.

(3)充电过程中眼睛始终盯着微安表指针，时刻调节滑动变阻器使得充电电流恒定不变，每隔10 s记录一次电容器的电压，一共记录9组，停止计时、计数.

(4)更换16 V，220 μF电容器重复上述操作，记录数据.

4 实验数据记录及处理

实验数据如表1所示.

表1 实验数据

根据表1数据作Q-U图像如图3所示.

图3 1 000 μF电容器的Q与U图像

实验相对误差

当C=220 μF时的Q-U图像如图4所示.

图4 220 μF电容器的Q与U图像

实验相对误差

5 实验评价

图5 1 000 μF与220 μF电容器的Q与U图像

图6 电容器与水容器类比