利用电子积木探究2018年江苏物理高考第8题

    吴芳

    

    

    

    摘 要：本文立足于物理实验课程改革需要，将中小学研究型课程中的学具——“电子积木”引入物理实验探究教学，把一道物理高考题的讲解变得具体，生动，令人印象深刻。目的是使更多的学生随时随地可以探究物理实验，感悟物理学科带来的魅力，促进物理核心素养的形成。

    关键词：电子积木; 电容器; 充放电

    中图分类号：G633.7? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? 文章编号：1006-3315（2019）8-022-002

    1.引言

    高二选修3-1《电容器的电容》一课中充放电内容作为一个非重点知识，课本上以“从灵敏电流计可以观察到短暂的充电电流、放电电流”一句而过，很多老师也是一带而过，学生更是一知半解。以至到了高三，学生对该知识点印象模糊，因此不少学生在2018年江苏物理高考第8题失分严重。如果结合电子积木，通过简单而具体的实验，就可以把本来抽象、不容易理解的习题，变得简单、具体、生动，令人印象深刻。

    电子积木引进中小学研究性学习，并作为中小学生科技竞赛项目“电子百拼”已经很多年了。它的元件多样化，不仅包括了电源、导线、开关、变阻器、灯泡、电表等常见元器件，还含有光敏电阻、发光二极管、三极管、干簧管、电容器、电感线圈、变压器、手摇发电机等高中实验常见元器件，甚至还配置了流水彩灯、蜂鸣片、金属探测器、FM收音机、录音IC以及一些其他趣味集成电路。电子积木使得物理电学实验变得实用、趣味、普及，让孩子们从小接触物理电路，并爱上物理电学实验。但简单的模仿说明书上的拼搭，不能让他们知道这些奇妙现象发生的原理，这就需要初高中教师对物理电路部分教学进行正确引导了。把电子积木引入课堂，在玩中做，做中学，遵循学生的认知规律，循序渐进，逐步深化，促进物理核心素养的形成。

    2.原题重现

    （2018年江苏省高考物理试题第8题）如图1所示，电源E对电容器C充电，当C两端电压达到80V时，闪光灯瞬间导通并发光，C放电。放电后，闪光灯断开并熄灭，电源再次对C充电。这样不断地充电和放电，闪光灯就周期性地发光。该电路：

    （A）充电时，通过R的电流不变？

    （B）若R增大，则充电时间变长;

    （C）若C增大，则闪光灯闪光一次通过的电荷量增大;

    （D）若E减小为85V，闪光灯闪光一次通过的电荷量不变。

    本题出题人意在考查电容器的充放电这个知识点学生的掌握情况，以及能否结合实际出现的情景，熟练运用公式Q=CU，Q、I、t三者之间的关系，以及其他电路基本知识进行合理的分析，从而得到正确答案。

    3.利用电子积木设计电路进行探究

    （1）探究电容器充电时电路中电流的变化情况

    （A）同学们对A选项阅读分析后，有的同学提出：“因为是充电，电流逐渐增大。”有的同学提出：“电容接在电池两端，电压应该不变，电流也不变。”还有的同学觉得电流应该减小。众口不一，事实究竟如何呢？我请同学们拿出电子积木，拼搭出电路进行验证。同学们寻找到了电子积木元件，组成电路（如图2所示）进行定性分析，并且设计放入了电流表，让题目以实验现象呈现更直观。同学们先连接好电路，按下电键，确保给电容放了电。然后闭合开关，观察发现：电流表先瞬间偏到了第9格，然后才渐渐回到0刻度线。

    这是什么原因呢？原来开关一闭合，电容器就开始充电，此时电路电流瞬间达到最大。而后却随着电容器充电，其两端电压U会不断地增大，而电动势E却是不变的，这就导致电阻R两端的电压逐渐减小，根据欧姆定律，R两端的电流I也逐渐减小。当电容器充电完成时，电源与电容器极板间的电势差就等于0了，即R两端没有电压，I也就为0。因此，A选项错误。

    （2）探究仅改变电阻，则电容器充电时间的变化情况

    在有了对A选项的实验和分析的基础上，不少学生一眼就看出选项B正确。电路实验过程中，学生们把电阻R从1K[Ω]换成10K[Ω]。在先按下电键给电容放电的前提下闭合开关，观察到最大电流由原来电流表偏转的9格，变成偏转7格。不少同学在1K[Ω]和10K[Ω]来回对比，发现电流表指针从最大回到0的过程中，安装10K[Ω]的电阻的电路，电容器充电的时间也比较长。从中我们总结结论：当电阻R变大时，充电瞬间电流达到的最大值变小，而充电时间却变长了。

    结合题目分析，当电阻R增大而电动势E不变的条件下，开关刚闭合时电流I的瞬时值相应减小了。而闪光灯放电，电压还是80V，这说明电容器充电电压也是80V，根据公式Q=CU，电容器充电量Q不变。结合Q、I、t三者之间的图像关系（如图3所示），Q不变（即I—t图像面积不变）、I减小，t就会相应变长了。所以B选项正确。

    （3）探究仅改变电容，则电容器充电电荷量的变化情况

    按照C选项所述，电容C增大，闪光灯闪光一次通过的电荷量增大吗？同学们依次使用10[μ]F和100[μ]F电容，按下电键放电，闭合开关观察数据。经过反复地观察、对比，发现：在其他条件相同的情况下，使用100[μ]F的电容，电流表偏转明显大，并且指针回到0刻度线的时间明显变长了。依据现象，結合Q、I、t三者图像关系（如图4所示），很显然电容器充电一次的电荷量Q（即I-t图像面积）明显偏大。

    理论分析：由于电容C大，容抗就小，开关刚闭合时电流I的瞬时值就大。而电容器电压U仍然要达到80V才放电，这个条件不变，根据公式Q=CU不难理解，电容器充电量Q会随电容C的增大相应增大。而闪光灯闪光一次放的电荷量就是电容器此时充的电荷量，所以充电电荷量增多，放电电荷量自然而然也就增大了。那么选项C是对的。

    （4）探究仅改变电源电动势，则电容器充电电荷量的变化情况

    遵循D选项，把电源电动势减小为85V，此时闪光灯闪光一次通过的电荷量又是怎样的呢？由于有了前三个选项的铺垫，同学们轻易就得到了答案。当电源电动势E由90V减小到85V，但仍然大于80V，而实际电路中电容器一达到80V就要对闪光灯放电，从而循环往复。也就是说给电容器充电，两极板电压还是会达到80V。这样，当电容器充电完成时，两极板还是80V，根据公式Q=CU，电容器此时充电的电荷量还是Q不变，且能使闪光灯瞬间导通并发光，放出的电荷量自然也等于原来的Q。因此，D选项也是正确的。

    当然，如果电源电动势减小到80V以下，那么根据Q=CU，充电电量Q随之减小，也就不能达到闪光灯放电的要求了。

    4.结语

    高中物理实验课程改革要求注重过程的呈现，创设真实情景，强化实验教学，让学生动手操作，从而提升探究能力，并由此感悟物理学科所带来的魅力。因此在我们利用高科技，不断提高物理实验演示教学精度的同时，让我们的学生人手一份实验装置，人人在课堂内外得以操作探讨研究，也有不同寻常的意义。把电子积木引入课堂，让学生随时随地在玩中做，做中学，在潜移默化中培养学生的物理核心素养。我将继续尝试、改进、创新，也希望和广大教师朋友一起努力，让更多的学生动手物理实验。