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1電容器及其理論知識點教學基本要求

電容器是一種容納電荷的器件．實際上任何2個彼此絕緣且相隔很近的導體（包括導線）間都構成一個電容器．靜電場及其理論中的電容器這一知識點，學生在高中已有所接觸，又在大學課堂講授，學生會有重復感．但電容器及其理論是學生特別是電類專業學生專業理論的重要基礎知識，對電容器及其理論的講解，須對照文獻[1]的要求，使學生達到理解電容的概念，掌握電容器的儲能公式，能計算典型電容器的電容，了解電容器的應用等基本要求[1]．電容器及其理論知識點，其地位和作用主要體現在知識體系的前后聯系，以及在討論靜電場能量的分析上．這個知識點應該放在更加突出的位置，主要有2方面的原因：

（1）以電類專業學生的知識結構為例，電容器及其理論是學生后續課程（如電路、電子技術、電工學、自動控制原理等課程）的基礎．將這個知識點放在比較突出的位置，能夠促進基礎課與專業基礎課和專業課的緊密銜接．

（2）電容器及其理論在工程技術領域中，應用十分廣泛，其理論自身不斷更新，電容器的制作技術不斷提高，如新能源器件中超級電容器技術的發展[2]．將這個知識點放在比較突出的位置，營造相應工程教育情境，能夠引導學生理論聯系實際，幫助學生以工程和實踐應用的視角來學習這個知識點．

2電容器及其理論知識點工程教育情境的營造

電容器及其理論如果直接按部就班講授給學生，雖然能夠使學生理解電容的概念，掌握電容器的儲能公式等，實現教學基本要求，但為了避免給學生帶來與中學知識重復的感覺，在講解時恰當融入工程教育素材，構造工程應用情境，以其新奇激發學生對該問題的學習興趣，在實現教學基本要求的同時，實現對學生工程意識、實踐意識的培養．

2.1典型電容器工程教育情境的營造典型電容器包括平行板電容器、同軸柱形電容器、同心球形電容器3種，比較容易計算出它們的電容．

2.1.1平行板電容器在電子工程中有很多元器件，其本質就是一種平板電容器，或者可以視為是由平行板電容器為基本單元組成的系統．例如：收音機中的同軸雙聯空氣可變電容器（雙聯）就是典型的一例．為了配合講解，利用多媒體圖文展示不同歷史時期收音機中的空氣可變電容器的實物．通過融入這樣的工程技術素材，學生看到了平行板電容器的實物結構，感受到了技術的變遷和升級，了解了雙聯器件在收音機工作中所起到的調頻或調幅作用．

2.1.2軸柱形電容器它是電子線路中最常見的一種電子元器件．為了說明它的廣泛應用和功能，借助多媒體圖文，展示了多幅電路圖和生活中眾多電器內部實物結構圖．以圓柱形鋁電解電容器為例講解，在完成基礎理論講解的同時，展示出基礎理論與實際工程技術之間的聯系和差距．在教科書中一般只推理了真空條件下同軸柱形電容器的電容公式，但在講解時，展示了電容器的制造工藝，并通過舉例來探討提高電容值的途徑，這就為知識的講解營造了豐富的工程教育情境．

2.1.3同心球形電容器很難直接從工程應用中找到其相應的素材．在講授時引用了“地球是一個異常巨大的電容器”的觀點[3]：高溫高壓下的地核視為正極，它具有驚人的密度；而將地幔層與地殼之間的結構視為負極，這樣就可以把地球看成是一個正極在球心、負極在球殼處異常巨大的電容器．

2.2超級電容器工程教育情境的營造在講解經典電容器時，適當融入超級電容器有關內容，可以提高課堂教學知識的更新度．由于工程技術需要不斷提高電容器的電容值，因此可以從提高平行板電容器容量的角度引出超級電容器的概念——超級電容器，是一種電容量可達數千法拉的電容器．根據平行板電容器的原理，電容量取決于電極間的距離和電極表面積．為了增大電容量，超級電容器盡可能縮小電極間距離、增加電極表面積，為此采用了雙電層原理和活性炭多孔化電極．雙電層介質在電容器兩電極施加電壓時，在靠近電極的電介質界面上產生與電極所攜帶電荷相反的電荷，并被束縛在介質界面上，形成事實上的電容器的2個電極．容易看出，兩電極的距離僅幾nm，同時活性炭多孔化電極可以獲得極大的電極表面積．因而這種結構的超級電容器具有極大的電容量，并可以存儲很大的靜電能量．適當介紹超級電容器的特點，如功率密度高、充放電循環壽命長、充電時間短、實現高比功率和高比能量輸出、儲存壽命極長，以及可靠性高等優勢．引導學生理解這些特點或優勢正是目前很多高新技術領域的技術要求，如利用超級電容器具有快速充電的特性，可做電動工具和玩具的理想電源．

2.3電容式傳感器工程教育情境的營造很多傳感器探頭其實質是具有可變參數的電容器．把被測的機械量，如位移、壓力等轉換為電容量變化的傳感器，即為電容式傳感器[4]．以平行板電容器的電容公式C=εS/d為例，ε,S,d3個參數中任一個的變化都將引起電容量變化，并可用于測量．相應地，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質變化型3類．極距變化型一般用來測量微小的線位移或由于力、振動等引起的極距變化；面積變化型一般用于測量角位移或較大的線位移；介質變化型常用于物位測量和各種介質的溫度、密度、濕度的測定等．在討論平行板電容器的電容量的影響因素時，逆向思維，學生就不難理解上述電容器的制造原理和傳感原理．在講授時，以駐極體電容傳聲器為例[5]，講解其工作原理，展示相關技術的發展動態，列舉駐極體電容傳聲器廣泛應用范圍，如手機、電話機、MP3/MP4、數碼相機、攝像機、語音識別系統、電腦等產品．由于這些例子就是生活中的實例，能夠引起學生的興趣．通過融入電容式傳感器的制作和工作原理素材，引導學生明白很多時候關注到的是一個客觀事物的不同側面；在工程應用上，工程技術所需要的通常也是同一客觀事物的某個側面屬性．例如：超級電容器關注的是其容量，而對電容式傳感器關注的則是機械物位、介質性質等因素對電容的影響，進而通過電容的變化反映被測目標的變化等．工程教育情境的營造，背景的勾勒，使學生看到了科學興趣和實際生活的需要推動了新發明；明白了除了偶然發現所帶來的發明之外，需要是發明的主要動力；體會了細致觀察和執著的必要性，最終提高了學學物理的興趣．這些實際效果，通過期末的問卷調查，學生給予了反饋．有關電容器知識及理論所涉及的工程教育素材，已經編入教材中[6]．融入工程教育素材后，講解電容器知識及理論，消除了學生對這部分知識的重復感，實現了理論與實際應用的緊密結合，強化了學生工程實踐意識，拉近了學生與工程應用領域的距離．