利用RC振荡电路创新设计电容器特性的实验装置

    吴清理

    

    

    

    摘 ? 要：高中物理选修教材中“电容器的容抗及其应用”一节，对电容器及电容器特性进行了理论阐释，这部分内容比较抽象，又没有相应的演示实验器材。大部分学生由于缺乏感性认识，只能够死记硬背。为了让学生能够更好地理解电容器及电容器特性的知识，于是引入RC振荡电路，创新设计出一个能直观形象地演示电容器特性的实验装置，帮助学生感性地理解与掌握电容器的特性。本实验装置已向国家知识产权局申请实用新型专利，并获得了授权。

    关键词：RC振荡电路;电容器;容抗;交变电流

    引言

    普通高中课程标准实验教科书，在选修教材“电容器的容抗及其应用”一节中，对电容器及电容器特性进行了理论阐释，但没有相应的演示实验。大部分学生由于对于该方面知识缺乏感性认识，未能很好地理解电容器及电容器特性相关知识，于是对老师的讲解感到有点抽象迷茫，只能够死记硬背。

    为了让学生能够更好地理解电容器及电容器特性的知识，如电容器具有隔直流，通交流;电容器的容抗和电容量成反比;电容器的容抗和交变电流的频率成反比等的特性，于是在引入RC振荡电路的基础上，创新设计出一个能直观形象地演示电容器特性的实验装置。

    1 ?实验装置的特点和用途

    1.1 ?特点

    RC振荡电路是指用电阻R和电容C组成选频网络的振荡电路[ 1 ]，一般可以产生1Hz-1MHz范围的低频信号。对于本次设计的电路中引入RC振荡电路，如图1虚线框所示，电路设计相对简单。

    在演示操作过程中，用一只9V干电池作为本实验装置的电源，只需调节RC振荡电路中电阻器Rv的阻值就可以改变RC的振荡频率，从而输出频率可调的交变电流。因此，利用本次设计的实验装置可以直观形象地演示电容器的特性及电容器的容抗和电容量、频率的关系。本实验装置具有操作简单，实验现象明显，携带方便，既可以用于课堂教学的实验演示，也可让学生进行分组活动，自主探究。

    1.2 ?用途

    （1）演示电容器具有隔直流，通交流的特性;

    （2）演示电容器的容抗和电容量成反比的关系;

    （3）演示电容器的容抗和交变电流的频率成反比的关系。

    2 ?实验装置电路图及所用电子元件型号数值

    2.1 ?实验装置电路图

    本次创新设计的演示或探究电容器特性的实验装置的电路图如图1所示，电路图左边虚线部分引入了由电阻R和电容C组成选频网络的振荡电路。考虑到实验装置用电的安全，故所设计的电源为9V直流电，经过振荡电路后，输出为交变电流，利用调节可变电阻Rv（电位器），使输出的交变电流的频率随着可变电阻阻值的变化而产生变化，测得本實验装置输出的交变电流，频率大约在8Hz-40Hz之间，连续可调。

    电路图右边■ 、■是一个实验所用的电容器，为了让演示效果的更为明显，所以设计所用的■ 、■的电容量相差较大有十倍之多，故在实验装置中■、■的电容量设计为10μF和1μF。图中的1、2、3、4均为接线柱，方便在演示或探究时，改变所用的实验电路。

    具体实验装置所用电子元件型号与数值见表1。

    2.2 ?实验装置所用电子元件型号与数值见表1

    表1

    3 ?演示操作过程

    3.1 ?演示电容器具有隔直流，通交流的特性

    首先，断开S1、S2 、S3连接1、4两端，闭合S，直流电源和C4、LED1构成回路，观察到 LED1没有发光，再闭合S1，LED1发光。这就说明电容器具有隔直流的特性。

    其次，断开S1、S2 、S3连接2、4两端，闭合S，构成回路，观察发现LED1发光。这也说明电容器具有通交流的特性。

    再次，连接1、3两端，闭合S，构成回路，观察发现毫安表读数为0，说明没有电流通过。连接2、3两端，闭合S，构成回路，观察发现毫安表读数不为0，说明有电流通过。这同样说明电容器具有隔直流，通交流的特性。

    从以上这些演示实验观察到的现象中可以得出，电容器具有隔直流，通交流的特性。

    3.2 ?演示电容器的容抗和电容量成反比的关系

    第一步，断开S1、S3，闭合S2，连接2、4两端，闭合S，构成回路，观察发现LED1和LED2发出的光线亮度基本相同，闭合S1，观察发现LED1发出的光比LED2亮。

    第二步，再闭合S3，又构成回路，观察发现电容量为10μF的电容器对应的LED2发出的光较亮，电容量为1μF的电容器对应的LED3发的光较暗。

    这部分演示实验形象直观，可以定性地说明，电容器具有容抗，且电容量相等的电容器容抗相等，电容量大的电容器容抗小，电容量小的电容器容抗大。

    3.3 ?演示电容器的容抗和交变电流的频率成反比的关系

    本部分实验借助示波器进行演示

    具体的演示操作过程如下：

    选用J2458-1型示波器Y输入端接3接线柱，连接2、3两端，闭合总开关S，构成回路，从左到右调节可变电阻RV，随着可变电阻的阻值降低，从示波器的波形变化中可以观察到交变电流频率升高，随着交变电流频率的升高，观察发现毫安表的读数也逐渐增大。

    这部分的演示实验的结果，从示波器所观察到的现象可以得出，随着交变电流的频率升高，电容器的容抗降低，通过回路的电流增大，即电容器的容抗和交变电流的频率成反比。（如图2、图3所示）

    因此，通过以上的实验可很好地演示电容器具有隔直流，通交流的特性;形象直观地说明，电容器具有容抗，电容量大的电容器的容抗小，电容量小的电容器的容抗大;在创新设计的电路中利用示波器和毫安表示数的大小，化抽象为具体地演示出电路中随着交变电流频率的升高，电容器的容抗降低，即电容器的容抗和交变电流的频率成反比的关系。

    4 ?实验装置的创新点

    （1）演示电路将电源、RC振荡器、毫安表、电容器、LED等集中在一块面板上，一目了然。打开箱盖后，便可直接进行实验操作，仪器小巧轻便，容易携带，随时随地可以进行演示。

    （2）演示时操作简便，学生从LED闪烁频率亮度或示波器的波形变化中，直观地感受到交变电流的频率变化，明显地观察到容抗的变化。

    （3）演示过程中现象明显，两只LED亮度差别较大，示波器的波形和毫安表的读数变化也比较大，学生能直观形象地观察到电容器的特性及容抗等物理现象，增加了感性认识，提高学生的学习兴趣和理解能力，进一步培养学生的探索精神。

    5 ?进一步完善构思

    本实验装置所设计的RC振荡电路中的三个三极管，采用实验室现有的3AX31型号，这三个三极管虽然能满足本实验装置的需求，但由于输出功率较小，无法满足毫安表和三只LED电路同时工作的需求。今后将对RC振荡电路重新设计，提高输出功率，让毫安表和三只LED电路同时工作，这样实验将会更加直观，操作更加简便。

    参考文献：

    [1]吴友宇.模拟电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，2009.