电容器充放电实验的教学建议

2024-05-22

电容器充放电实验的教学建议（通用4篇）

篇1：电容器充放电实验的教学建议

电容器充放电实验的教学建议

摘要：高中物理电容器充放电实验设置过于简单，不利于学生的理解，增加了学生学习的难度。本人从原教材中的实验的不足和建议两个方面，谈谈自己的看法。

关键词：演示实验，不足，建议引

言：

电容器充放电实验是高中物理人民教育出版社选修3-1第一章第八节电容器的电容中的难点，在教材中占有重要的地位。这一节是学习静电场后的一个重要应用，也是为以后学习交流电路（电容和电感对交流电的影响）打基础。因此，学习电容器充放电实验是非常有意义的。本人对教材中的实验有以下看法和建议:

一、教材中电容器充放电演示实验的不足

第一，教材中电容器的充放电电路如图所示。该电路演示电容器的充放电过程，不能观察到任何实验现象，让同学们难以想象电容器的充放电过程到底是怎样的。此演示实验较抽象，不利于学生的感性认识，增加了学习的难度。

第二，教材中没有讲述电容器的充放电过程电流的大小的动态变化。在电容器的充放电的过程中，电路中的电流都是逐渐减小的。如果能把此过程演示出来，对学生理解电容器的充放电是一个很好的感性认识补充。

第三，教材中通过类比的方法讲述了电容器所带电量与电容、电压的关系。但是，课本没有演示实验，学生缺乏感性认识。

二、电容器充放电演示实验的设计

第一，增加感性认识，使同学们知道电容器是容纳电荷的容器。通过问题的设置，让大家感受到学习电容器的必要性。（知道干电池放电与电容器放电可能的区别。）

具体演示实验设置如下：

演示实验一：先用某物体与4V的学生电源相连，再用此物体与小灯泡相连。发现小灯泡亮了一下后熄灭，说明该物体可以给小灯泡供电，只不过是发光时间1

较短（猜测：该物体给小灯泡提供的是瞬时电流）。

演示实验二：先用此电容器与12V的学生电源相连，再用此电容器与一小段细铜丝（可以是电线中的一根细铜丝）相连，发现铜丝被迅速熔化并且火花四射。

实验器材：学生电源一台（没有过载保护的学生电源，防止给电容器充电时，学生电源由于过载保护而自动断电），四个并联的电容器，导线若干，带有接线柱的小灯泡一个

以上演示实验的优点：

1.使学生感性地意识到电容器是容纳电荷的容器，增加了学生们学习物理的兴趣。

2.让学生自己上讲台用电容器点亮小灯泡，使同学们更好地理解电容器的充放电过程，而不是从课本上了解什么是电容器的充放电过程，死记硬背概念。

3.通过实验观察，电容器的放电仅仅是使小灯泡发光一下后熄灭，易知道电容器的放电电流是瞬时电流。

4.通过演示实验二的观察，让大家发现电容器可以在较短时间内放出较大电流，从而点燃一小段细铜丝。我们知道，一般的电池是不允许放出那么大的电流的。而照相机的闪光灯能够发出耀眼的光芒，就是电容器的功劳。通过以上的观察和分析，让同学们知道我们有干电池，为什么还要研究电容器？这样的实验设置进一步激发同学们的学习激情。

第二，通过实验演示，让同学们亲眼看到电容器的充放电电流的变化，增加实验的可信度。同学们利用电容器充放电过程中的电流变化，可以分析推理出电容器的电荷量，电压，电场强度，电势能的变化。

具体演示实验设置如下：

当单刀双掷开关打到1位置时，电容器充电，同学们可以通过如图所示的演示实验看到：电容器充电的过程中，电路中电路的电流、电压的变化。当单刀双掷开关打到2位置时，电容器放电，同学们可以看到：电容器放电的过程中，电路中电流、电压的变化。

实验器材：学生电源一台（没有过载保护的学生电源，防止给电容器充电时，学生电源由于过载保护而自动断电），四个并联的电容器，导线若干，小灯泡一个，可测正反向电流的电流表以及正反向电压的电压表各一个，单刀双掷开关一个。

以上演示实验的优点： 1.通过演示实验，可以很清楚地看到电容器的充放电电流、电压均是逐渐减小的，此实验增强了知识的可信度。

2.通过演示实验，使同学们看到电容器的充放电电流、电压的方向均是相反的。

第三、通过演示实验得到电容器所带电量与电容、电压的关系，增加知识的可信度。

具体演示实验如下：

演示实验电路如图甲所示，其中P为电流传感器，V为电阻很大的电压表。实验时，先将开关S1闭合，单刀双掷开关S2掷向a，调节滑动变阻器的滑动头到某位置使电容器C充电，当电路达到稳定后记录理想电压表的示数。再迅速将开关S2掷向b，使电容器放电。电流传感器P将电容器充、放电过程中的电流数据传送给计算机，在计算机上可显示出电流i随时间t变化的图象如图乙所示。然后改变滑动变阻器滑动头的位置，重复上述步骤，记录多组电流随时间变化的图象和电压表的示数。

实验器材：学生电源一台，电容器一个，单刀双掷开关，滑动变阻器，电流传感器，电压表，开关，计算机及相关的处理软件

以上演示实验的优点：

通过演示实验以及数据的处理，能够准确地得到电容器的电容与其电荷量以及电压无关，并且知道对于同一个电容器，电荷量与电压成正比。这样得到的结果，有实验基础，可信度高，能够降低学习的难度。

参考文献

王维民:电容器充放电演示器的制作[J].教学仪器与实验,2000,(1)

篇2：电容器充放电实验的教学建议

［作者：魏海来源：安徽省宿州市第二职业高级中学时间：2012-1-

3[字体:0 21:13:39 阅读：339次］

]

一、教学简析

1、教材的地位及作用

本课内容是电容器的充电和放电，选自《电工基础》第四章第三节，教学需时1课时。

电容器是一种应用非常广泛的电子元器件，在电力系统作为功率因数的补偿元件；在电子电路中作为滤波、耦合、去耦、隔直、移相、储能元件等。比如电风扇用的电容启动式单相异步电动机，即是利用电容的移相作用。以上功能主要源于电容器的充、放电特性。这部分知识既具有其独立性，又有其延展性，是后续学习的一个支点。

2、学情分析

学生在学习本节内容之前，学习了直流电路的一些知识，但没有接触过动态电路。电容器的概念也是刚刚学习，了解不深。电容器的充电和放电过程短，现象不好观察，规律不好理解。

二、教学设计的指导思想

1、注重问题情景的创设，唤起学生强烈的好奇心和旺盛的求知欲，促成学生真正地成为学习的主体。学习的主要目的不仅仅是学习知识性的内容，更重要的是让学生学会学习，学会探索，掌握良好的学习方法。

2、重视学生参与教学活动，关注学生的情感体验。在日常教学中注意利用生活情景类比方法，利用学生的生活经验和体验来帮助化解学习中的难点，化抽象为具体，让学生由浅入深，学习起来很轻松，并感觉到触类旁通的学习乐趣。这样不仅能让学生十分清晰地理解电容器的充放电过程中电压、电流的变化，还会使学生产生浓厚的学习兴趣和对生活的感悟。

3、注重将理论与实际应用有机结合，从而降低抽象知识的学习的难度，体现应用性。富有探索性的《电工基础》学习实践活动是发现电学现象背后意义的关键，亦是《电工基础》素养形成的过程。在教学过程中强调学生的实践，如：参与设计实验、观察实验现象、归纳实验结论等。这些不仅让学生增强了理论联系实际的能力，还提高了科学探究能力。

三、教学策略

电容器的充放电的时间很短，或电流极小，用实际的电路演示电容器的充放电，现象不明显，不易充放电规律，效果不好。使用仿真实验可使元件参数理想化，现象直观，规律突显。

本节课主要借助于仿真实验，通过创设问题情景来帮助和引导学生开展有效的学习；利用生活情景类比来降低难度和加深学生对所学知识的理解；用多媒体辅助教学来帮助学生巩固所学。对于教学重点的突显和教学难点突破，将采用借助于问题产生→仿真演示→学生讨论思考→教师引导→学生归纳→学生知识迁移这样一个模式展开。如果学生在学习时有理解上的困难，可用生活知识进行类比来促进理解，整个过程中老师始终以学生学习的促进者的身份出现，让学生时时体会着主动学习的快乐以及知识真正掌握理解时的兴奋。

四、教学目标

1、知识目标：

① 知道电容器的充电、放电概念。

② 能说出电容器充、放电过程中的电流、电压的变化规律。

2、能力目标：

学生通过对仿真实验的观察、研究、设计，提高理论联系实际的能力、抽象思维能力和科学探究能力。

3、情感目标：

培养学生的学习兴趣，以及敢于挑战、大胆质疑、善于发现问题和解决问题的科学精神，同时加深对生活的感悟。

五、教学重、难点

1、重点：

电容充、放电的过程。

2、难点：

电容充、放电的过程中电压和电流的变化规律。

3、难点的突破：

可以借助仿真实验以及生活情景类比帮助学生理解，实现知识的触类旁通，促进学生对知识的掌握。

六、教学方法

1、教法选择：

创设问题情景，仿真实验演示，生活情境类比，多媒体辅助。

2、学法指导：

观察现象，分析规律，讨论问题，参与设计，归纳总结，知识迁移。

七、教学过程设计

（一）、导入新课课件展示：

问同学们一个问题：你用杯子喝过水吗？ ……

看来这个问题太简单，再问一个难一点的问题：

你用杯子接水时有没有注意：杯子中的水是一下子就满了，还是要等几秒钟才能接满？其中的道理你思考过吗？

杯中的水要一点点积累，越积越多，最终满杯。任何事物的发展变化都有一个从量变到质变的过程。我们的学习也是一样，内容一点点掌握，知识一点点积累，最后就可以学好这门课。

今天我们就来学习电容器的充电和放电。

（二）、知识新授

1、电容器的充电过程：

我们已经知道，电容器是电的容器。电容器的充电是什么意思呢？定义：充电是指电荷装入电容器。

电容器装电荷能不能一下子就装满？充电规律是不是也和水杯接水一样？

水装进水杯是看得见的，电荷装进电容器却看不见。我们怎样才能知道电容器在充电呢？如何研究电容器的充放电规律？（给学生留一些思考时间）

如果学生有合理可行的建议或想法，可按照学生的思路进行教学。电荷装入电容器时流过电路，如果在电路中串入一只灯泡，灯泡就会发光。通过观察灯泡的发光情况，我们会感知电容器的充电。原理图见图1。

（1）用灯泡

图1 点击幻灯片图1的超链接，打开仿真软件，演示图1所示的电容充电过程。让学生注意观察灯泡的发光情况。

S接通后灯泡很亮，随后逐步变暗，最后熄灭。这是什么原因呢？（学生思考、分析、讨论）

S接通的瞬间，C中无电荷，两板无电压，电源电压全部加在灯泡和电阻两端，电流较大，灯泡较亮。随着充电的进行，C极板上电荷越积越多，电压越来越大，则灯泡中电流越来越小，灯泡逐步变暗，最后熄灭。

我们通过观察杯子中的水面高度可以知道，水是不断持续增加的。如果给电容器接上电压表或电流表，我们也可以通过电表来研究电容器的充电。原理图见图2。

（2）用电表

图2 点击幻灯片图2的超链接，用仿真软件演示图2，让学生注意观察仿真演示中电流表、电压表、指示灯的变化情况。

电流表的读数由大迅速变小，缓慢变为零；电压表的读数由小迅速变大，缓慢增加到定值。

那么为什么会是这样的结果呢？（在教师的引导下由学生思考、讨论、归纳实验现象产生的原因。）

生活类比：早上起晚了没吃早饭，等到中午放学肚子很饿，饥饿的肚子就像电容器，吃饭的过程就像对电容器充电的过程。吃饭时一开始速度很快，进食速度的大小就像充电过程中电流的大小，随着肚子里食物的增加，进食速度就减慢，吃饱则不再进食。

（利用学生自己的生活经验和体验来帮助化解学习中的难点，化抽象为具体，让学生由浅入深，学习起来很轻松，并感觉到触类旁通的学习乐趣。这样不仅让学生十分清晰地理解电容器的充放电中电压、电流的变化，还将让学生产生浓厚的学习兴趣和对生活的感悟。）可能有的学生已经发现并提出质疑：电流表的读数怎么不为零？

鼓励学生提出各种猜想，明显不合理的予以否定，合理的或可用仿真实验验证的就用仿真实验验证并分析原理。

比如，通过分析电路图会发现电压表和电容器并联，电流表的读数应包括流过电压表的电流。如何验证呢？将电压表改接到电流表之外，再观察，确实如此。

（让学生对实验现象观察、研究并参与设计，可引发学生的好奇心，调动学生学习的积极性，使学生保持良好的学习状态。同时可培养学生的科学探究能力和敢于挑战、大胆质疑的精神。）

2、电容器的放电过程

定义：放电是指电容器失去电荷的过程。

我们仍然采用研究电容器充电的方法来研究放电规律。

点击幻灯片有关文字的超链接，用仿真软件演示电容器放电现象，原理图见图

1、图2。

仿真实验中用指示灯，不能指示电流的流向，能用什么方法直观的判断电流的流向呢？（给学生留一些时间思考）

原理图3用两只发光二极管演示，可清楚的表明电容器充放电的电流方向不同。

点击幻灯片图3的超链接，用仿真软件演示。

图3（在电容器充电过程的分析中学生已经了解了观察、归纳本次实验的方法，教师只需稍作引导，学生通过观察实验现象即可归纳实验结果，并感受学有所得的成就感，激发学习热情。）

那么为什么会是这样的结果呢？（在教师的引导下由学生思考、讨论、归纳实验现象产生的原因。）

同样进行生活类比：有些同学在安排自己的零花钱时，就像电容器的放电过程。一开始大手大脚的花钱，十块八块根本不在乎，到最后仅剩几块钱，却精打细算，不舍得花。

（通过利用生活知识进行类比，进一步地帮助学生展开想象，帮助学生进一步地理解。让学生始终积极地参与学习，不断地发现问题、分析问题、解决问题，思维活动紧张有序，从而体验学习带来的乐趣。）

补充：

利用网络资源，帮助学生多角度认识电容器的充电放电规律。点击幻灯片相关文字的超链接，播放视频。

（三）、练习

设计一些不同题型的练习，呈现课堂的主要知识点，帮助学生检测是否达到预期的学习目标，并将学生的信息及时反馈给老师，从而做出相应的调整和弥补。

1、说出电容器充放电过程中电容器两端的电压和电路中电流的变化规律。

2、现实生活中哪些现象与电容器充放电现象的规律类似？

（四）、小结

1、电容器充电、放电。

篇3：电容器充放电实验的教学建议

关键词：超级电容,充放电,电容单体,测试装置

1 引言

超级电容器是一种具有高功率密度的新型储能元器件, 是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置, 具有几百甚至上千法拉的容量, 与传统电容器相比: 他具有较大的容量、较高的能量、较宽的工作温度范围及极长的使用寿命; 可以说超级电容器是一种高效、实用、环保的能量存储装置。与常规的动力蓄电池储能原理不同,超级电容器其充放电过程的电容量会受温度、单体个数、充放电电流等因素的影响,特别随着充放电电流的增大和单体数量的增加,电容器储能将变小,电流充放电功率将变低。本文设计了超级电容器充放电测试装置,开展了超级电容器充放电特性试验研究。

2 总体方案设计

本装置是要测试超级电容器充放电特性,所以要具备对超级电容器的充电功能和放电电流测试功能,充电采用恒流充电方式,应用自行研制的高准确度直流源作为激励,放电采用对超级电容器外接负载并监测放电电流的方式,并实时显示超级电容器端电压和放电电流,最后根据测试数值来绘制超级电容器充放电曲线。总体原理框图如图1。

检测过程为:①对超级电容器充电时单片机发出信号产生可调直流基准信号, 直流基准电压信号经V/I跨导放大器后产生标准直流电流对超级电容器进行恒流充电,并进行端电压监测当达到额定电压时停止充电。②超级电容器放电时,外接放电负载,电流测量部分开始测量瞬时电流。

充电电流:0.1A—200A;

电流测量准确度:±0.05%;

电压测量:1—100V;

电压测量准确度:±0.05%;

3 硬件系统设计

3.1 微处理器

单片机或者微处理芯片统称为微处理器,它是智能仪器仪表的核心部件,它的性能好坏与否直接影响到仪器的功能和速度,因此对微处理器的选择非常重要。

我们采用AT89C51 单片机做为装置的微控制器。AT89C51 单片机算术运算功能强,软件编程灵活、自由度大,可用软件编程实现各种算法和逻辑控制[1]。它的芯片引脚少,在硬件很容易实现,并且它还具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。

3.2 可调直流标准信号电路设计

电流输出部分中很关键的一部分是直流基准。为了提高基准的准确度,本仪器设计采用的技术是脉冲调宽技术。该技术广泛用于时分割多路传输器、无线电频率发射机、光数据存贮及控制交直流转换器等领域[2]。应用该技术可以减少转换器中被动滤波器件的尺寸,减少了仪器的成本。

(l)工作原理

脉冲调宽时分割直流基准源的原理框图如图2所示。

由图2 所示,脉冲调宽电路部分由单片机及外围芯片构成,经单片机编程可产生不同宽度的脉冲信号,但信号幅值只在0V—5V之间,再经过电子开关放大后可将幅值放大到E成为基准电压方波,最后经低通滤波器后成为幅值可调的直流电压信号E0。

在图2 中可见,一个完整的脉冲由调制脉冲周期T0和调制脉冲宽度T1 组成,因此基准电压平均值为

由(3-1) 式可知,T0 与E不变,E0 只与T1 成正比。

(2)实现方法

从原理框图中可以看到,E0的稳定度和调节细度主要由直流基准电压E和脉冲调宽电路决定,脉冲调宽电路采用Intel公司的8254芯片,8254芯片是一款使用十分广泛的可编程定时,计数芯片,其主要功能是定时和计数的功能,通过软件编程来产生精确的时间间隔,8254的内部具有三个功能相同的16位减计数器.每个计数器的工作方式和计数常数分别由软件编程选择,可进行二进制或2-10进制的计数或定时操作。

3.3 跨导放大电路的设计

直流稳定电压信号要转化为稳定的电流值输出,需经过V/I变换并且功率放大原理图如下:

输出电流见公式(2)。

式中Io—— 直流输出电流;

UE—— 脉冲调宽输出电压(UE输出电压0 ~11V);

E——误差放大器的放大倍数;

Ro——取样电阻;

K —— 前置放大器和功率放大器的放大倍数。

同电压原理一样,由于K值趋近于无穷大,所以公式(3-2)可变形为

通过调整取样电阻Ro和误差放大器的放大倍数E的值,可使输出电流在不同量程之间连续调节。

3.4 放电电流测量电路设计

直流电流的测量见框图2-6。单片机根据测量电流的不同量程进行量程切换(切换不同的取样电阻),然后测量电流经过电流取样电路,再经放大处理,处理结果送入A/D转换器中进行转换。A/D转换器的转换结果经单片机滤波及处理后,将结果送入液晶显示器中进行显示。A/D转换器的选取也是很关键的。A/D转换器的种类出很多。

本仪器中A/D转换器选用24 位A/D转换器AD7710[3],转换精度高,有效地提高了测量准确度。在AD7710 的设计中将转换频率设为50Hz,有效地抑制了噪声,提高了测量准确度。

4 装置对超级电容器进行整体测试

通过上述充放电检测系统,对超级电容器进行充电,采用不同安培的电流样机进行充放电测试和电容容量的测试,以此分析超级电容器充放电性能。

4.1 充电电流与电容容量关系

图6 代表不同电流超级电容器充电特征曲线,可知,电流为1,2,3A充电时,充电时间不同,对应的充电时间分别约为80,70,60s,增大充电电流能够减少充电时间。图7 表示电容器充放电电流与电容量的关系,可知随着充电电流的增大,电容量呈明显下降趋势[4]。进一步表明了超级电容器放电容量受充电电流影响较大,充电电流越大,电容量越小[5]。

4.2 单体数量与电容容量关系

超级电容器需要单体间差异性小,即在充放电过程中单体一致性较好[6]。本文运用测试系统开展不同单体数量的充电电容量的研究,图8 所示为单体数据与电容量的关系,在充放电电流为2A情况下,随着单体数量的增多,电容量下降较快,表明单体一致性较差,因为单体数量越多,在充放电过程中,不均匀性更强,进而引起电容器容量的降低,特别是当单体数量达到12 个以后,电容量呈明显下降趋势。当单体数量从4 变到20 时,电容量降低了2F。

5 结束语

本文介绍了以单片机为控制核心的超级电容器充放电特性测试装置研制过程,该装置适用范围广、测量精度高,对超级电容器的深入研究提供了重要工具。由测试曲线可以看出:超级电容器放电容量受充电电流影响较大,充电电流越大,充电时间越短,但是电容量会越来越小; 在充放电电流为2A时,随着电容单体数量增大,电容量呈明显下降趋势,当单体数量从4 变到20 时,电容量降低了2F; 放电效率整体较低。

参考文献

[1]沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实现[M].北京电子工业出版社,2005.

[2]李名兆.便携式仪表的低功耗设计.计量技术.2007(11):23~25

[3]周水斌,陈小桥,杨敏.基于AD7710的6位半电压表头的研制[J].仪表技术与传感器.2007(1):32~34

[4]张琦,王金全.超级电容器及应用探讨[J].电气技术,2007(8):67-70.

[5]张慧妍,韦统振,齐智平.超级电容器储能装置研究[J].电网技术,2006,30(8):92-96.

篇4：电容器充放电实验的教学建议

关键词：DC/DC变换；超级电容；串联均压

超级电容是近年发展快速的一种大容量储能器件，具有功率密度高、充放电时间短、效率高、使用寿命长、清洁环保等特点。超级电容具有90％以上的充放电效率，充放电电流可达数安培至数百安培，充放电寿命可达10万次以上。在电动汽车、UPS等产品上有很好的应用前景。

但是超级电容器参数存在离散性，即使是同一型号同一规格的超级电容器在其电压、内阻、容量等参数上都存在着不一致性，这是由制造过程中工艺和材质不均造成的。而在使用中需要采用串联的方式提高整体的输出电压，充电时大多采用先恒流后恒压的充电方式，如图1所示。充电前期采用恒流充电，当电容电压达到一定值后，即t0时刻，再采用恒压充电，因为超级电容器的离散性，各单体到达t0时刻的时间就会不同，如果直接进行串联充电可能会使某些单体过充，而某些单体又欠充，严重危害超级电容器的使用寿命，放电时同样如此，会出现某些单体过放现象。因此保证各单体的均衡充放电，对有效发挥所储存的能量有着非常重要的意义。

1 均压控制原理

文中超级电容均压部分采用逆变器和变压器均压技术实现。

如图2所示，均压电路由超级电容组、变压器、逆变器和升压斩波电路4部分组成。图中的二极管起到反向保护作用。通过控制信号S1、S2、S3、S4即可实现电压均衡，并可将电压高的超级电容中的能量转移到电压低的超级电容中。

假设有N个超级电容串联，将串联超级电容组两端总电压通过升压斩波电路接到逆变器的输入端，以补偿MOSFET及续流二极管上的导通压降，逆变器的输出接到匝数比为N的降压变压器的高压侧，则低压侧将产生振幅为N个超级电容单体电压平均值的方波。以该方波作为电压源再次对每个超级电容单体进行充电。此时由于二极管的作用，只有单体电压低于变压器低压侧电压值的超级电容才能进行充电。逆变器工作一段时间以后，即可完成超级电容的均压。

升压斩波电路的输出电压，即逆变器的输入电压Vi满足：

Vi=Vc+N*Vd+2Vs(1)

式中：Vc为N个串联超级电容两端总电压；Vd为续流二极管上的正向导通压降；Vs为MOSFET上的导通压降。

逆变部分采用5kHz的50%占空比的PWM波加入一定的死区时间来实现，S1，S4采用同一组信号驱动，S2，S3采用另外一组信号驱动。

升压斩波电路的控制信号采用20kHz的PWM波。

Boost变换器占空比公式

D=■(2)

由式1可知

V2-V1=N×Vd+2Vs

=4×0.3+2×0.7

=2.6V

占空比满足：