» Главная » Методист—учителю » Физика

А.Р. Рамазанов,
учитель физики гимназии «БЭСТ», старший преподаватель Сев.Каз. ИПК и ППК, г. Петропавловск

Изучение конденсаторов в курсе физики 8 класса

Изучение темы «Электромагнитные колебания» в 9 классе вызывает ряд трудностей у учащихся. Одна из них связана с тем, что электромагнитные колебания рассматриваются на примере колебательного контура, элементами которого являются электротехнический конденсатор и катушка индуктивности. Знакомство с этими радиоэлементами происходит в 8 классе. Поэтому при изучении этих вопросов необходимо избежать формального подхода. Ниже предлагается вариант знакомства с конденсатором в курсе физики 8 класса.

Работу по изучению конденсатора можно разбить на несколько этапов, учитывая возрастные и индивидуальные особенности учащихся.

Первый этап — знакомство с конденсаторами. По времени он занимает один урок. Вначале урока ученики под руководством учителя знакомятся с конденсатором по плану обобщенного ответа об устройстве [1]:

1. Назначение.
2. Основные элементы устройства.
3. Принцип действия. Технические параметры.
4. Применение и правила пользования. Типы устройств.

Назначение устройства можно продемонстрировать, например, с помощью лампы-вспышки, платами из разобранных радиотехнических устройств. С основными элементами конденсатора, принципом действия и техническими параметрами ученики знакомятся при работе с учебником. Первичное закрепление полученных знаний осуществляется при работе в группах по 4-6 человек с раздаточным материалом — конденсаторами с различными характеристиками. Они выпаиваются из старых приборов: телевизоров, магнитофонов, компьютеров, принтеров.

По емкости и напряжению, указанных на корпусе конденсатора, рассчитывают его номинальные значения заряда и энергии. Данный вид работы позволяет перейти к формулированию правил использования устройства. Вторичное закрепление осуществляется путем выполнения задания по конструированию конденсатора из подручных средств. Для выполнения этой работы группам выдаются: а) набор диэлектриков — парафинированная бумага (внутренняя обертка от конфет), пластины из оргстекла или компакт диски, слюда, керамическая плитка, текстолит; б) набор металлических пластин — фольга (от конфет или шоколада), монеты, пластины из жести или алюминия различной конфигурации (квадратные, прямоугольные, треугольные, трапециевидные) и т.д.

Для самодельного устройства рассчитывают емкость по формуле плоского конденсатора и энергию (напряжение можно задать по значениям применяемых в быту химических источников тока). Ниже приводятся примеры выполнения таких заданий.

Пример 1: «Конденсатор из конфетки».

Для изготовления плоского конденсатора берем фольгу от конфеты размером 75х75 мм² и разрезаем ее на две части. Между двумя получившимися пластинами прямоугольной формы (S = 75·37 мм² = 2775 мм²) помещаем парафинированную бумагу с диэлектрической проницаемостью = 2,2 (таблица 8 [2]). Выступающий край бумаги обрезаем и используем для определения ее толщины методом рядов.

С этой целью получившуюся полоску перегибаем несколько раз (N = 64) и измеряем толщину получившегося рулончика штангенциркулем (H = 2,7мм). Делим результат на число слоев бумаги в рулончике: 2,7 : 64 = 0,042 (мм). Это и есть толщина диэлектрического слоя. Примерная электрическая емкость такого конденсатора 1300пФ. При использовании источника напряжения 4,5В энергия равна 13 нДж, а заряд 6нКл.

Пример 2: «Конденсатор из компакт-диска».

Используем компакт-диск как стеклянный диэлектрик с = 7 (внутренняя металлическая подложка не является помехой). Толщина диска измеряется штангенциркулем или методом рядов с помощью линейки (несколько дисков укладывается в стопку). Его поверхность с двух сторон обклеивается фольгой. Площадь поверхности вычисляется по формуле , где D и d соответственно внешний и внутренний диаметры диска. При толщине диска 1,2 мм и S = 111 см² емкость конденсатора равна 570 пФ.

При желании можно изготовить конденсаторы переменной емкости различной конструкции. Такой вид работы может быть предложен как домашнее творческое задание. На этом завершается первый этап знакомства с конденсаторами.

Второй этап — включение конденсатора в участки цепи постоянного тока. Целью этого этапа является наблюдение отсутствия постоянного тока в участке цепи с конденсатором. Наблюдение можно организовать во время выполнения практической работы по сборке электрических цепей.

После выполнения заданий по выработке навыков подключения различных потребителей (лампочка, резистор) к источнику тока различными способами (последовательное, параллельное и смешанное соединение) учащимся еще раз предлагают собрать цепь с параллельным соединением ламп и убедиться в ее работоспособности. Затем в один из участков включают конденсатор и по отсутствию накала спирали лампы убеждаются в отсутствии тока.

Третий этап самый трудный и поэтому осуществляют только в сильных классах. Его целью является наблюдение возникновения тока при разряде конденсатора через резистор и определения таким образом его емкости. Организуется этот этап после изучения темы «Постоянный электрический ток» в виде фронтальной лабораторной работы «Определение электрической емкости конденсатора» или как работа физического практикума, если таковой проводится учителем в конце 8 класса. Метод работы описан на ст.85 в пособии [3].

Способ определения емкости основан на измерении заряда, отданного конденсатором при разряде. Чтобы определить заряд, необходимо знать зависимость силы тока при разряде от времени. По полученным данным строится график I=f(t) (рис.4) . Площадь, ограниченная графиком и осями координат, численно равна заряду, отданному конденсатором, т.к. . В описанном варианте работы [3] используются микроамперметр на 100 мкА, резистор на 50-100 кОм, электролитический конденсатор емкостью не менее 1000 мкФ, химический источник напряжения до 6 В.

Рис. 1

Для постановки фронтального эксперимента можно воспользоваться типовым школьным оборудованием: лабораторным источником напряжения ВУ-4, вольтметром с внутренним сопротивлением 5,6 кОм (вольтметры с меньшим внутренним сопротивлением малоэффективны), реостатом РП-6. Оксидные конденсаторы, как было отмечено выше, необходимо взять из старых радиоприборов. Самый простой способ их подсоединения — это к ножкам конденсатора подпаять соединительные провода. Более надежный способ: припаять конденсатор к фольгированному текстолиту (рис. 1).

Рис. 2

Учащимся предлагается собрать установку по схеме, показанной на рис. 2, обращая внимание на полярность конденсатора. После замыкания цепи конденсатор начинает заряжаться. Так как лабораторный источник тока собран по схеме двухполупериодного выпрямителя, то им выдается пульсирующее напряжение. При подключении к его клеммам конденсатора емкостью несколько микрофарад, напряжение стабилизируется и достигает почти амплитудного значения (больше 6В). С помощью реостата это напряжение уменьшают до значения, не превышающего предела измерения вольтметра. Общий вид установки представлен на рис.3.

Рис. 3

После размыкания ключа, конденсатор разряжается через вольтметр. Ученики снимают показания с вольтметра через определенные интервалы времени. Разделив полученные значения напряжения на сопротивление вольтметра, получают зависимость силы тока от времени и строят график этой зависимости. Чтобы вычислить заряд, сначала определяют какому заряду соответствует на графике площадь квадрата со стороной 5 мм (клетка тетрадного листа).

Затем, используя метод палетки, вычисляют площадь фигуры под графиком в единицах заряда. Зная заряд и напряжение на обкладках конденсатора перед размыканием ключа, определяют емкость по формуле С_э = q / U. Полученный результат С_э (экспериментальный) сравнивают с параметром, указанным на корпусе элемента С_н (номинальный):

Значение погрешности может достигать 25 30%. Укажем несколько причин для объяснения такого результата. Первая: изготавливают электролитические конденсаторы с допусками отклонения емкости от номинала ±20%. Вторая: со временем происходит высыхание электролита в радиоэлементе. Третья: условия осуществления опыта (быстрый разряд при малом значении сопротивления вольтметра, инструментальные погрешности и погрешности отсчета).

Несмотря на отмеченные недостатки, работа, на мой взгляд, обладает большим познавательным потенциалом: а) возможностью пронаблюдать процесс разряда конденсатора, б) отработка навыка построения графика по экспериментальным точкам, в) применение графического метода нахождения физической величины, г) применение теоретических знаний в практической деятельности.

Ниже приводятся результаты работы с конденсатором К50-16 емкостью С_н = 1000мкФ.

Рис. 4

Число полных клеток под графиком I(t) — 52, неполных — 20.
Площадь одной клетки в кулонах: 0,05·10-3А·2с=0,1·10-3Кл.
Заряд конденсатора: (52+20:2)·0,1·10-3Кл = 6,2·10-3Кл.
Электрическая емкость: С_э=6,2·10-3Кл:5В = 1,24·10-3 Ф = 1240 мкФ

Погрешность измерения:

Таким образом, поэтапное формирование у учащихся понятия конденсатора на основе экспериментальных работ создает благоприятные условия для переноса приобретенных знаний в другие темы школьного курса физики.

Литература

1. Усова А.В., Вологодская З.А. Самостоятельная работа учащихся по физике в средней школе. — М.: Просвещение, 1981. — 158 с., ил.
2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике: для 9-11 кл.сред. шк. — 14-е изд. — М.: Просвещение, 1992. — 224с. ил.
3. Практикум по физике в средней школе: Дидакт. материал / В.А. Буров, Ю.И. Дик, Б.С. Зворыкин и др.; Под ред. А.А. Покровского. — 2-е изд. — М.: Просвещение, 1982.-192с., ил.