第一发明人姓名：周泽平

性别：男

民族：汉族

第一发明人所在学校：大连市第二十高级中学

第一发明人所在年级：高二

辅导教师：于春杰

作品摘要：

*结构组成：

本系统主要由电脑上位机的实时显示界面，单片机控制系统，步进电机，行程开关，XY轴定向移动设施等组成 

*主要特征：

本系统是根据高中物理中电容教学的实际需求开发的，它可以定量的研究平行板电容器的决定式c=εs/4πkd，即是平行板电容器的电容值与两极板间距、极板正对面积、介质介电常数的关系。系统通过机械式与电气控制的方式巧妙结合，使得上下极板可通过步进电机进行精确控制，并可以在上位机显示界面中实时的显示出电容随d、S、介质变量变化时的变化情况，从而去研究平行板电容器电容的决定式。 

*主要用途：

本仪器可以定量研究平行板电容器的决定式c=εs/4πkd。通过上位机去遥控上下方向的步进电机改变两极板之间的距离，研究电容与极板间距的关系；通过上位机去遥控左右方向的步进电机改变两极板正对面积，研究电容与极板正对面积的关系；在两极板间插入不同介质板，研究电容与介质介电常数的关系。电容值用通过上位机显示在屏幕上，从而可以进行具体的定量分析。

*创新点：

（1）在仪器中引入上位机系统，单片机控制等先进计算机科学技术。

（2）在教学上摆脱了传统无实物的教学方式，提高学生课堂学习的积极性。

（3）通过机械与电气结合的方式来观察电容的变化情况，与纯机械式的电容仪器相比较，此种方式更加自动化，控制精度也更高。

（4）极板间可以插入不同介质材料，研究介电常数的影响。

（5）通过垂直结构，分别解决了极板间距离与极板正对面积的变化对电容的影响。

*问题提出：

本系统是针对高中物理课本选修3-1中第一章的第八节《电容器的电容》，有一个演示性的实验叫做研究影响平行板电容器电容大小的因素，是本节教学内容的难点，而做好演示实验则是突破难点最好办法。然而，教材中的实验存在诸多问题。如：（1）静电实验对实验装置、实验环境都有着极高的要求、（2）实验无法对极板间距、正对面积等进行定量测量、（3）学生对静电计工作原理的理解也存在很大困难。

*解决方案：

1、单片机端：在单片机程序内部，需要计算出极板间的距离d与极板正对面积S，整个过程需要对步进电机的速度进行控制，精准的获取步进电机移动的时间。在单片机内部需要用到定时器对其进行计时，同时还要处理串口发送来的数据，及时做出相应改变，并将当前最新计算出的S、d信息通过串口发送给上位机。2、上位机端：上位机端需要对单片机端通过串口发送来的数据进行解析校验，然后可获得极板间距离d与极板正对面积S，再根据当前软件中设定的真空介质获得真空介电常数E，并根据电容计算公式计算出当前状态下的电容值，最后在界面中显示出电容值，当极板运动时，可在上位机端看到整个电容值的变化过程。与此同时，上位机端还需要监听操作人员的操作行为，并向单片机端发送相应的串口数据。3、通信部分：串口是指数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信（可以直接利用电话线作为传输线），从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是：数据位的传送，按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成。

*使用或试用效果：

在初始化完毕之后，平行极板间的距离被固定在0.025m，正对面积被固定在0.01323m2，介质为空气，此时电容板上的电容值为4.143012×10-23F。停止移动后，上下极板的距离为0.04425m，正对面积S为0.01323m2。实验分别比较了极板间距离，极板正对面积，极板间介质对电容值的影响，通过实物的变化与上位机界面的显示能够清楚的看到在改变d、S、ε变量时，电容的实时变化情况。  

*优点：

在教学上摆脱了传统无实物的教学方式，告别了传统枯燥的教学方式，通过此教学仪器的展示，学生能够动态的看到电容在不同情况下的变化过程，让学生通过视觉来与仪器建立直接的联系，提高学生课堂学习的积极性，从而加深学生对电容的理解。在极板间距离d，极板正对面积S，极板间介质三个变量发生变化是能够在上位机界面中实时观察到电容的变化过程。

*还需进一步研究的问题：

本系统在制作上相对复杂，对操作者的技术要求较高。在下一步的研究中我会简化系统组成和降低操作难度。

作品图片：

查新说明:自我查新结论：新颖

经对检索出的相关文献进行分析、对比，结论如下：文献1：本发明涉及一种电学实验电路空问设计创新示教板。由立方体支架、过桥框、平板状透明基板、多功能十字形接线插头、插头套、电子组件符号接线板、平台外仪器货架组成;所述立方体支架包括前面板、后面板、上面板、下面板、左面板、右面板，六个面板采用角铁状材料组合固定连接；本发明的有益效果在于，通过立体空间电路设计，培养学生的空间想象能力。本课题的研究特点是：1、在仪器中引入上位机系统，单片机控制等先进计算机科学技术。2、在教学上摆脱了传统无实物的教学方式，告别了传统枯燥的教学方式，通过此教学仪器的展示，学生能够动态的看到电容在不同情况下的变化过程，让学生通过视觉来与仪器建立直接的联系，提高学生课堂学习的积极性，从而加深学生对电容的理解。3、在极板间距离d，极板正对面积S，极板间介质三个变量发生变化是能够在上位机界面中实时观察到电容的变化过程。4、通过机械与电气结合的方式来观察电容的变化情况，与纯机械式的电容仪器相比较，此种方式更加自动化，控制精度也更高。5极板间可以插入不同介质材料，研究介电常数的影响。检索中未见与本课题相同的报道。