一种电容器充放电过程教学模型的制作方法

本技术涉及教学器材领域，具体涉及一种电容器充放电过程教学模型。

背景技术：

1、在人教版(2019版)高中物理必修三第十章第四节《电容器的电容》教学中，本发明人在教学过程中发现传统教学方法中存在一些问题，如：不易观察实验现象、不易获取实验数据、数据处理繁琐、教材中没有电压随时间变化图像、一节内容多个实验导致装备太多不方便携带以及导线太多影响观察等。这些问题制约了探究活动的有效展开、影响了探究活动结果、不利于学生对电容器本质的认识以及工作原理的理解。

2、为积极响应新课改精神并解决上述出现的问题，故开发本教学模型为学生提供一种新颖、有效的探究式实验学习方式，使学生能够实时观察物理现象，增加对物理学科的兴趣，增强科学探究意识。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种便于进行电容器充放电教学的一种电容器充放电过程教学模型。

2、本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：一种电容器充放电过程教学模型，包括电路模型以及数据采集模组，所述的电路模型包括主回路以及第一支路引线，主回路与一端分别连接第一支路引线一端以及电源一极，主回路另一端分别通过第一单刀双掷开关适配电源另一极以及第一支路引线另一端，若干电容支路分别设置有电容并联与副支路上构成副回路并联与主回路上，若干电容支路通过副回路一端设置的单刀多掷开关与副支路并联适配，所述的主回路设置有第一电流传感器以及电压传感器接入数据采集模组进行数据通信。

3、优选的：所述的副回路一端分别连接第二支路引线一端以及一组电容的一端，所述的电容的另一端通过第二单刀双掷开关与一组电容和第二支路引线的另一端适配，所述的副回路的端部设置有第二电流传感器接与数据采集模组。

4、优选的：所述的电路模型的电线路采用丝网印或热转印工艺集成设置在pcb板上，数据采集模组固定于pcb板上，电路模型的元器件采用可拆结构设置于电路模型的适应位置。

5、优选的：所述的可拆结构采用导电夹、插拔端子任一种。

6、优选的：所述的数据采集模组包括a/d转化器以及数据处理板，所述的a/d转化器采用ads1015芯片，所述的数据处理板采用esp32开发板，所述的ads1015芯片的a0和a1引脚并联电阻r1并分别替换连接第一电流传感器或第二电流传感器的连接端，所述的ads1015芯片的a2和a3引脚并联电阻r2并分别替换连接电压传感器的连接端。

7、优选的：所述的esp32开发板的输出引脚连接oled屏幕。

8、优选的：所述的esp32开发板的通信端口连接无线通信模组与上位机耦合。

9、优选的：所述的无线通信模组采用wifi、蓝牙任一种。

10、优选的：所述的上位机采用智能手机、pc、pad任一种。

11、优选的：所述的ads1015芯片替换为ads1220芯片。

12、本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：本教具能够采集并形成电容器充放电过程电压随时间变化图像，填补了人教版新教材中电压图像的空白；其次，无线技术的使用和pcb板的制作和使用，实现了多端口数据传输，拓展了数据展示空间，告别了导线多带来的诸多不变；其三，器材价格便宜易采购，且数据采集和数据处理形成图像同步进行，大大提高了实验效率，极大的降低了时间成本和经济成本，有效的解决了电容器充放电过程时间短暂不方便记录数据的困难以及描点作图的繁琐过程，而且动态性直观性强；其四，该装置采用的是ads1015模块并采用卡尔曼滤波函数，测量数据不仅精度高而且有效清洗数据去除噪音还原电容器充放电过程真实电压电流数据，使数据图像非常平滑。其五，该装置集成了电容器充放电和探究电量和电压关系两个实验，同时将esp32开发板、o led显示屏、ads1015模块集成在自制的pcb板上，因此具有高度的集成性，使探究变的容易，操作方便了很多。

技术特征：

1.一种电容器充放电过程教学模型，其特征在于：包括电路模型以及数据采集模组，所述的电路模型包括主回路以及第一支路引线，主回路与一端分别连接第一支路引线一端以及电源一极，主回路另一端分别通过第一单刀双掷开关适配电源另一极以及第一支路引线另一端，若干电容支路分别设置有电容并联与副支路上构成副回路并联与主回路上，若干电容支路通过副回路一端设置的单刀多掷开关与副支路并联适配，所述的主回路设置有第一电流传感器以及电压传感器接入数据采集模组进行数据通信。

2.根据权利要求1所述的一种电容器充放电过程教学模型，其特征在于：所述的副回路一端分别连接第二支路引线一端以及一组电容的一端，所述的电容的另一端通过第二单刀双掷开关与一组电容和第二支路引线的另一端适配，所述的副回路的端部设置有第二电流传感器接与数据采集模组。

3.根据权利要求2所述的一种电容器充放电过程教学模型，其特征在于：所述的电路模型的电线路采用丝网印或热转印工艺集成设置在pcb板上，数据采集模组固定于pcb板上，电路模型的元器件采用可拆结构设置于电路模型的适应位置。

4.根据权利要求3所述的一种电容器充放电过程教学模型，其特征在于：所述的可拆结构采用导电夹、插拔端子任一种。

5.根据权利要求2所述的一种电容器充放电过程教学模型，其特征在于：所述的数据采集模组包括a/d转化器以及数据处理板，所述的a/d转化器采用ads1015芯片，所述的数据处理板采用esp32开发板，所述的ads1015芯片的a0和a1引脚并联电阻r1并分别替换连接第一电流传感器或第二电流传感器的连接端，所述的ads1015芯片的a2和a3引脚并联电阻r2并分别替换连接电压传感器的连接端。

6.根据权利要求5所述的一种电容器充放电过程教学模型，其特征在于：所述的esp32开发板的输出引脚连接oled屏幕。

7.根据权利要求5所述的一种电容器充放电过程教学模型，其特征在于：所述的esp32开发板的通信端口连接无线通信模组与上位机耦合。

8.根据权利要求7所述的一种电容器充放电过程教学模型，其特征在于：所述的无线通信模组采用wifi、蓝牙任一种。

9.根据权利要求7所述的一种电容器充放电过程教学模型，其特征在于：所述的上位机采用智能手机、pc、pad任一种。

10.根据权利要求5所述的一种电容器充放电过程教学模型，其特征在于：所述的ads1015芯片替换为ads1220芯片。

技术总结
本技术公开了一种电容器充放电过程教学模型，包括电路模型以及数据采集模组，所述的电路模型包括主回路以及第一支路引线，主回路与一端分别连接第一支路引线一端以及电源一极，主回路另一端分别通过第一单刀双掷开关适配电源另一极以及第一支路引线另一端，本教具能够采集并形成电容器充放电过程电压随时间变化图像，填补了人教版新教材中电压图像的空白；其次，无线技术的使用和pcb板的制作和使用，实现了多端口数据传输，拓展了数据展示空间，告别了导线多带来的诸多不变。

技术研发人员：黄臻,范德生
受保护的技术使用者：安徽省歙县中学
技术研发日：20230810
技术公布日：2024/3/31