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1、RC振蕩電路創(chuàng)新設(shè)計(jì)電容器實(shí)驗(yàn)裝置摘要：高中物理選修教材中“電容器的容抗及其應(yīng)用一節(jié)，對電容器及電容器特性進(jìn)行了理論闡釋，這局部內(nèi)容比擬抽象，又沒有相應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)器材。大局部學(xué)生由于不足感性認(rèn)識(shí)，只能夠死記硬背。為了讓學(xué)生能夠更好地理解電容器及電容器特性的知識(shí)，于是引入RC振蕩電路，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一個(gè)能直觀形象地演示電容器特性的實(shí)驗(yàn)裝置，幫忙學(xué)生感性地理解與掌握電容器的特性。本實(shí)驗(yàn)裝置已向國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請實(shí)用新型專利，并獲得了授權(quán)。關(guān)鍵詞：RC振蕩電路；電容器；容抗；交變電流引言普通高中課程規(guī)范實(shí)驗(yàn)教科書，在選修教材“電容器的容抗及其應(yīng)用一節(jié)中，對電容器及電容器特性進(jìn)行了理論闡釋，但沒有相應(yīng)的演

2、示實(shí)驗(yàn)。大局部學(xué)生由于對于該方面知識(shí)不足感性認(rèn)識(shí)，未能很好地理解電容器及電容器特性相關(guān)知識(shí)，于是對老師的講解感到有點(diǎn)抽象迷茫，只能夠死記硬背。為了讓學(xué)生能夠更好地理解電容器及電容器特性的知識(shí)，如電容器具有隔直流，通交流；電容器的容抗和電容量成反比；電容器的容抗和交變電流的頻率成反比等的特性，于是在引入RC振蕩電路的根底上，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一個(gè)能直觀形象地演示電容器特性的實(shí)驗(yàn)裝置。1實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和用途1.1特點(diǎn)RC振蕩電路是指用電阻R和電容C組成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路【1】，一般可以產(chǎn)生1Hz-1MHz范圍的低頻信號(hào)。對于本次設(shè)計(jì)的電路中引入RC振蕩電路，如圖1虛線框所示，電路設(shè)計(jì)相對簡單。在演示操作過

3、程中，用一只9V干電池作為本實(shí)驗(yàn)裝置的電源，只需調(diào)節(jié)RC振蕩電路中電阻器Rv的阻值就可以改變RC的振蕩頻率，從而輸出頻率可調(diào)的交變電流。因此，利用本次設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置可以直觀形象地演示電容器的特性及電容器的容抗和電容量、頻率的關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)裝置具有操作簡單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，攜帶方便，既可以用于課堂教學(xué)的實(shí)驗(yàn)演示，也可讓學(xué)生進(jìn)行分組活動(dòng)，自主探究。1.2用途1演示電容器具有隔直流，通交流的特性；2演示電容器的容抗和電容量成反比的關(guān)系；3演示電容器的容抗和交變電流的頻率成反比的關(guān)系。2實(shí)驗(yàn)裝置電路圖及所用電子元件型號(hào)數(shù)值2.1實(shí)驗(yàn)裝置電路圖本次創(chuàng)新設(shè)計(jì)的演示或探究電容器特性的實(shí)驗(yàn)裝置的電路圖如圖1所示，

4、電路圖左邊虛線局部引入了由電阻R和電容C組成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路?？紤]到實(shí)驗(yàn)裝置用電的平安，故所設(shè)計(jì)的電源為9V直流電，經(jīng)過振蕩電路后，輸出為交變電流，利用調(diào)節(jié)可變電阻Rv電位器，使輸出的交變電流的頻率隨著可變電阻阻值的變化而產(chǎn)生變化，測得本實(shí)驗(yàn)裝置輸出的交變電流，頻率大約在8Hz40Hz之間，連續(xù)可調(diào)。電路圖右邊、是一個(gè)實(shí)驗(yàn)所用的電容器，為了讓演示效果的更為明顯，所以設(shè)計(jì)所用的、的電容量相差較大有十倍之多，故在實(shí)驗(yàn)裝置中、的電容量設(shè)計(jì)為10F和1F。圖中的1、2、3、4均為接線柱，方便在演示或探究時(shí)，改變所用的實(shí)驗(yàn)電路。2.2實(shí)驗(yàn)裝置所用電子元件型號(hào)與數(shù)值見表13演示操作過程3.1演示電容器具

5、有隔直流，通交流的特性首先，斷開S1、S2、S3連接1、4兩端，閉合S，直流電源和C4、LED1構(gòu)成回路，察看到LED1沒有發(fā)光，再閉合S1，LED1發(fā)光。這就表明電容器具有隔直流的特性。其次，斷開S1、S2、S3連接2、4兩端，閉合S，構(gòu)成回路，察看發(fā)現(xiàn)LED1發(fā)光。這也表明電容器具有通交流的特性。再次，連接1、3兩端，閉合S，構(gòu)成回路，察看發(fā)現(xiàn)毫安表讀數(shù)為0，表明沒有電流通過。連接2、3兩端，閉合S，構(gòu)成回路，察看發(fā)現(xiàn)毫安表讀數(shù)不為0，表明有電流通過。這同樣表明電容器具有隔直流，通交流的特性。從以上這些演示實(shí)驗(yàn)察看到的現(xiàn)象中可以得出，電容器具有隔直流，通交流的特性。3.2演示電容器的容抗和

6、電容量成反比的關(guān)系第一步，斷開S1、S3，閉合S2，連接2、4兩端，閉合S，構(gòu)成回路，察看發(fā)現(xiàn)LED1和LED2發(fā)出的光線亮度根本相同，閉合S1，察看發(fā)現(xiàn)LED1發(fā)出的光比LED2亮。第二步，再閉合S3，又構(gòu)成回路，察看發(fā)現(xiàn)電容量為10F的電容器對應(yīng)的LED2發(fā)出的光較亮，電容量為1F的電容器對應(yīng)的LED3發(fā)的光較暗。這局部演示實(shí)驗(yàn)形象直觀，可以定性地表明，電容器具有容抗，且電容量相等的電容器容抗相等，電容量大的電容器容抗小，電容量小的電容器容抗大。3.3演示電容器的容抗和交變電流的頻率成反比的關(guān)系本局部實(shí)驗(yàn)借助示波器進(jìn)行演示具體的演示操作過程如下：選用J2458-1型示波器Y輸入端接3接線柱

7、，連接2、3兩端，閉合總開關(guān)S，構(gòu)成回路，從左到右調(diào)節(jié)可變電阻RV，隨著可變電阻的阻值降低，從示波器的波形變化中可以察看到交變電流頻率升高，隨著交變電流頻率的升高，察看發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)也逐漸增大。這局部的演示實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，從示波器所察看到的現(xiàn)象可以得出，隨著交變電流的頻率升高，電容器的容抗降低，通過回路的電流增大，即電容器的容抗和交變電流的頻率成反比。如圖2、圖3所示因此，通過以上的實(shí)驗(yàn)可很好地演示電容器具有隔直流，通交流的特性；形象直觀地表明，電容器具有容抗，電容量大的電容器的容抗小，電容量小的電容器的容抗大；在創(chuàng)新設(shè)計(jì)的電路中利用示波器和毫安表示數(shù)的大小，化抽象為具體地演示出電路中隨著交變電

8、流頻率的升高，電容器的容抗降低，即電容器的容抗和交變電流的頻率成反比的關(guān)系。4實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新點(diǎn)1演示電路將電源、RC振蕩器、毫安表、電容器、LED等集中在一塊面板上，一目了然。翻開箱蓋后，便可直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，儀器小巧輕便，容易攜帶，隨時(shí)隨地可以進(jìn)行演示。2演示時(shí)操作簡便，學(xué)生從LED閃爍頻率亮度或示波器的波形變化中，直觀地感受到交變電流的頻率變化，明顯地察看到容抗的變化。3演示過程中現(xiàn)象明顯，兩只LED亮度差異較大，示波器的波形和毫安表的讀數(shù)變化也比擬大，學(xué)生能直觀形象地察看到電容器的特性及容抗等物理現(xiàn)象，增加了感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和理解能力，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的探索精神。5進(jìn)一步完善構(gòu)思本實(shí)驗(yàn)裝置所設(shè)計(jì)的RC振蕩電路中的三個(gè)三極管，采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的3AX31型號(hào)，這三個(gè)三極管雖然能滿足本實(shí)驗(yàn)裝置的需求，但由于輸出功率較小，無法滿足毫安表和三只LED電路同時(shí)工作的需求。今后將對RC振蕩電路重新設(shè)計(jì)，提高輸出功率，讓毫安表和三只LED電路同時(shí)工作，這樣實(shí)驗(yàn)將會(huì)更加直觀，操作更加簡便。參考文獻(xiàn):1吳友宇.模擬電子技術(shù)根底M.北京：清華大學(xué)出版社，2008