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2019-2020年人教版高中物理選修3-1 第一章 第8節(jié) 電容器的電容 教案1 三維目標(biāo) 知識(shí)與技能 1．知道什么是電容器及常見(jiàn)的電容器； 2．知道電場(chǎng)能的概念，知道電容器充電和放電時(shí)的能量轉(zhuǎn)換； 3．理解電容器電容的概念及定義式，并能進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算； 4．知道平行板電容器的電容與哪些因素有關(guān)，掌握平行板電容器電容的決定式，知道其中各項(xiàng)的含義，并能運(yùn)用其討論有關(guān)問(wèn)題。 過(guò)程與方法 結(jié)合實(shí)物觀察與演示，在計(jì)算過(guò)程中理解掌握電容器的相關(guān)概念、性質(zhì)。 情感態(tài)度與價(jià)值觀 1．體會(huì)電容器在實(shí)際生活中的廣泛應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生探究新事物的興趣。 2．滲透了事物的本質(zhì)是自身的因素，即內(nèi)因決定，不由外因決定的觀點(diǎn)。電容器兩極板帶等量異種電荷，體現(xiàn)物理學(xué)中的對(duì)稱(chēng)美。 教學(xué)重點(diǎn) 電容的概念、定義式及平行板電容器電容的決定式。 教學(xué)難點(diǎn) 電容器的電容的計(jì)算與應(yīng)用。 教學(xué)方法 類(lèi)比法、實(shí)驗(yàn)法、歸納法、講練法。 教具準(zhǔn)備 靜電計(jì)、平行板電容器、鐵架臺(tái)、電介質(zhì)板、電容器示教板（上裝各種電容器）、電容器的幻燈片、電池組。 課時(shí)安排 1課時(shí) 教學(xué)過(guò)程 ［新課導(dǎo)入］ 場(chǎng)強(qiáng)與電勢(shì)有無(wú)直接關(guān)系？ 無(wú)直接關(guān)系。E大，φ不一定大，E為零，φ不一定為零，反之亦然。 場(chǎng)強(qiáng)與電勢(shì)差有無(wú)直接關(guān)系？ 有直接關(guān)系。在勻強(qiáng)電場(chǎng)中，E＝，d指沿場(chǎng)強(qiáng)方向間距離，僅適用于勻強(qiáng)電場(chǎng)。 勻強(qiáng)電場(chǎng)是最簡(jiǎn)單的電場(chǎng)，也是中學(xué)階段用得最多的電場(chǎng)。前面我們知道兩塊平行金屬板間的電場(chǎng)是勻強(qiáng)電場(chǎng)，今天我們繼續(xù)學(xué)習(xí)一種類(lèi)似于平行金屬板構(gòu)造的元件──電容器。 ［新課教學(xué)］ 一、電容器 1．電容器 電容器是一種重要的電學(xué)元件，有廣泛的應(yīng)用。兩個(gè)相距很近的平行金屬板中間夾上一層絕緣物質(zhì)──電介質(zhì)（空氣也是一種電介質(zhì)），就組成一個(gè)最簡(jiǎn)單的電容器，叫做平行板電容器。這兩個(gè)金屬板叫做電容器的極板。實(shí)際上，任何兩個(gè)彼此絕緣又相距很近的導(dǎo)體，都可以看成一個(gè)電容器。 (出示電容器示教板，使學(xué)生仔細(xì)觀察，找出電容器的共同點(diǎn)) 任何兩個(gè)彼此絕緣又相隔很近的導(dǎo)體，組成一個(gè)電容器。 電容器能貯藏電量和能量，兩個(gè)導(dǎo)體稱(chēng)為電容的兩極。 下面以平行板電容器為例來(lái)學(xué)習(xí)有關(guān)電容器的一些基本知識(shí)。 2．電容器的充放電 + + + + －－－－ C U ＋Q －Q E S A （1）充電 ①充電 如圖所示，把電容器的一個(gè)極板與電池組的正極相連，另一個(gè)極板與負(fù)極相連，兩個(gè)極板就分別帶上了等量的異種電荷。 電容器兩板分別接在電池兩端，兩板帶上等量異種電荷的過(guò)程叫做充電。 ②充電過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化 在充電過(guò)程中，從靈敏電流計(jì)可以觀察到短暫的充電電流。充電后，切斷與電源的聯(lián)系，兩個(gè)極板上的電荷由于相互吸引而保存下來(lái)，兩個(gè)極板間有電場(chǎng)存在。充電過(guò)程中由電源獲得的電能貯存在電場(chǎng)中，稱(chēng)為電場(chǎng)能。 充電過(guò)程──極板帶電量Q增加，板間電壓U增加，板間場(chǎng)強(qiáng)E增加，電能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能。 （2）放電 C U＝0 E S A ①放電 如圖所示，如果把充電后的電容器的兩極板接通，兩極板上的電荷互相中和，電容器就不再帶電。 充電后的電容器兩極板用導(dǎo)線相連，兩極板上的電荷中和的過(guò)程叫做放電。 ②放電過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化 在放電過(guò)程中，從靈敏電流計(jì)可以觀察到有短暫的放電電流。放電后，兩極板間不再有電場(chǎng)，電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為其它形式的能。 放電過(guò)程──極板帶電量Q減少，板間電壓U減小，板間場(chǎng)強(qiáng)E減小，電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為其他形式能。 二、電容 1．電容器所帶的電荷量 電容器所帶的電荷量，是指每個(gè)極板所帶電荷量的絕對(duì)值。 2．電容 電容器是容納電荷的容器。充電后的電容器的兩極板間有電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差跟電容器所帶的電荷量有關(guān)。一個(gè)電容器容納電荷的本領(lǐng)如何描述呢？用電容器所帶電荷量描述嗎？ 問(wèn)題：甲電容器兩板各帶2C電量，板間電壓為2000V，乙電容器兩板各帶3C電量，板間電壓為4000V，能否說(shuō)乙電容器容納電荷的能力大呢？ 分析：不能。電容器所帶電量越多，板間電壓越大。對(duì)上述問(wèn)題，不能在電壓不同這種不對(duì)等情況下比較電荷量，應(yīng)在相同電壓下討論，可取1V電壓下對(duì)比它們的電荷量。 甲：；乙：，所以甲容納電荷的本領(lǐng)大。 實(shí)驗(yàn)表明，一個(gè)電容器所帶的電荷量Q與電容器兩極板間電壓U成正比，比值是一個(gè)常量。但不同的電容器，這個(gè)比值一般是不同的，可見(jiàn)，這個(gè)比值表征了電容器儲(chǔ)存電荷的特性。 總結(jié)：可用電容器所帶電荷量與兩板間電壓的比值來(lái)描述電容器容納電荷的本領(lǐng)。 （1）定義 電容器所帶電荷量Q與電容器兩極板間的電勢(shì)差U的比值，叫做電容器的電容。 這是用比值定義法定義的。 （2）公式 用C表示電容，則有 C＝（量度式） 上式表示，電容器的電容在數(shù)值上等于使兩板間電勢(shì)差為1V時(shí)電容器需要帶的電荷量?；虻扔谑闺娙萜鲀蓸O板間電勢(shì)差增加1V時(shí)所需的電荷量。需要的電荷量多，表示電容器的電容大。 （3）物理意義 (類(lèi)比理解) 電容器 水容器 ↓ ↓ 容納電荷的能力 容納水的能力 ↓ ↓ 單位電壓電容器所帶電量 單位深度水容器所帶水量（體積V） ↓ ↓ C＝ ＝S（橫截面積） ↓ ↓ 確定的電容器C確定 確定的水容器S確定 即：　C由電容器自身決定 由水容器自身決定 電容是表示電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量，由電容器本身決定，與電容器是否帶電無(wú)關(guān)。 （4）單位 在國(guó)際單位制中，電容的單位是法拉，簡(jiǎn)稱(chēng)法，符號(hào)是F。如果一個(gè)電容器帶1C的電量，兩極板間的電勢(shì)差是1V，這個(gè)電容器的電容就是1F。法拉這個(gè)單位太大，實(shí)際中常用較小的單位：微法(μF)和皮法(pF)，它們與法拉的關(guān)系是： 1F＝106μF＝1012pF 現(xiàn)在已經(jīng)能夠制成電容超過(guò)1F的電容器。 三、平行板電容器的電容 1．平行板電容器 兩塊平行且相互絕緣的金屬板構(gòu)成的電容器，叫做平行板電容器。 平行板電容器是電容器中具有代表性的一種，是最簡(jiǎn)單的，也是最基本的電容器，幾乎所有電容器都是平行板電容器的變形。所以我們先研究平行板電容器的電容。 2．影響平行板電容器電容的因素 現(xiàn)在我們研究平行板電容器的電容跟哪些因素有關(guān)。 【演示】 介紹靜電計(jì)：靜電計(jì)是在電容器的基礎(chǔ)上制成的，用來(lái)測(cè)量電勢(shì)差。把它的金屬球接一導(dǎo)體，金屬外殼接另一導(dǎo)體，從指針的偏角可測(cè)出兩導(dǎo)體間的電勢(shì)差，指針偏角越大，指針與外殼間電勢(shì)差越大。 將平行板電容器的一板固定于鐵架臺(tái)上，且與一外殼接地的靜電計(jì)的金屬球連接，手持有絕緣柄的另一極板，并將該板與靜電計(jì)的外殼連接。用電池組給電容器充電后斷開(kāi)電源，保持極板上的電量Q不變。 （1）保持極板上的電荷量Q不變，兩極板間的距離d也不變，改變兩極板的正對(duì)面積S。 現(xiàn)象：S增大時(shí)，靜電計(jì)指針偏角變小；S減小時(shí)，指針偏角變大。 分析：根據(jù)C＝，Q不變。S↑→U↓，則C增大。S↓→U↑，則C減小。 精確實(shí)驗(yàn)表明：C與S成正比。 （2）保持極板上的電荷量Q不變，兩極板的正對(duì)面積S也不變，改變兩極板間的距離d。 現(xiàn)象：板間距d增大時(shí)，靜電計(jì)指針偏角變大；板間距d減小時(shí)，靜電計(jì)指針偏角減小。 分析：給電容器充電后斷開(kāi)電源，電源不再繼續(xù)對(duì)電容器充電，同時(shí)也沒(méi)有導(dǎo)線將兩板相連，電容器也不會(huì)放電，電容器所帶電荷量不變。 根據(jù)C＝，Q不變。d↑→U↑，則C減小。d↓→U↓，則C增大。 精確實(shí)驗(yàn)表明：C和d成反比。 （3）保持Q、S、d都不變，在兩板間插入電介質(zhì) 現(xiàn)象：兩極板位置不變，把電介質(zhì)板插入，可觀察到電介質(zhì)板進(jìn)入過(guò)程中，靜電計(jì)指針偏角變小。 分析：電介質(zhì)一般指絕緣物質(zhì)，無(wú)自由電荷，電荷可在平衡位置附近做微小振動(dòng)。當(dāng)絕緣物質(zhì)處于外加電場(chǎng)中時(shí)，這些電荷受力，其分布將發(fā)生一定的變化，在靠近正極板表面上出現(xiàn)負(fù)電荷，在靠近負(fù)極板表面上出現(xiàn)正電荷。這些電荷不是自由電荷，而是被束縛在電介質(zhì)上，不能自由移動(dòng)。這些束縛電荷使板間電場(chǎng)削弱，兩板間電勢(shì)差U降低，從而使靜電計(jì)指針偏角減小。也可以用能的觀點(diǎn)加以分析：電介質(zhì)板插入過(guò)程中，由于束縛電荷與極板上電荷相互吸引力做功，電勢(shì)能減少，故電勢(shì)差降低。 根據(jù)C＝，Q不變。板間插入電介質(zhì)→U↓，則C增大。 板間充滿(mǎn)某種介質(zhì)時(shí)，C會(huì)變?yōu)榘彘g為真空時(shí)的若干倍。 總結(jié)：一般來(lái)說(shuō)，電容器的電容是由兩個(gè)導(dǎo)體的大小和形狀，兩個(gè)導(dǎo)體的相對(duì)位置及極板間的電介質(zhì)決定的。 3．平行板電容器電容公式 理論分析表明，平行板電容器的兩極板間是真空時(shí)，電容C與極板的正對(duì)面積S、極板距離d的關(guān)系為 式中k為靜電力常量。 當(dāng)兩極板間充滿(mǎn)同一種介質(zhì)時(shí)，電容變大為真空的εr倍，即 （決定式） εr是一個(gè)常數(shù)，與電介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，稱(chēng)為電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)?？諝獾南鄬?duì)介電常數(shù)與1十分接近，所以在一般性研究中，空氣對(duì)電容的影響可以忽略。 參見(jiàn)課本中給出的《幾種常用電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)》表。 四、常用電容器 常用的電容器，從構(gòu)造上看，可以分為分固定電容器和可變電容器兩類(lèi)。 1．固定電容器 固定電容器的電容是固定不變的。 固定電容器中，根據(jù)使用的介質(zhì)不同又有不同的名稱(chēng)。常用的有紙質(zhì)電容、聚苯乙烯電容和電解電容等。 固定電容器大都通過(guò)改變正對(duì)面積來(lái)制造出不同電容的電容器。以聚苯乙烯薄膜為電介質(zhì)，把兩層鋁箔隔開(kāi)，卷起來(lái)，就制成了聚苯乙烯電容器。改變鋁箔的面積和薄膜的厚度，可以制成不同電容的聚苯乙烯電容器。用陶瓷做電介質(zhì)的固定電容器也很多。 電解電容器是用鋁箔做一個(gè)極板，用鋁箔上很薄的一層氧化膜做電介質(zhì)，用浸過(guò)電解液的紙做另一個(gè)極板（要靠另一片鋁箔與外部引線連接）制成的。由于氧化膜很薄，所以電容較大。電解電容器兩個(gè)引線一長(zhǎng)一短，短者為負(fù)，使用時(shí)注意區(qū)分，電解電容器的正負(fù)極是固定的，使用時(shí)不能接錯(cuò)。 2．可變電容器 可變電容器的電容是可以改變的。 可變電容器由兩組鋁片組成，它的電容是可以改變的。固定的一組鋁片叫定片，可以轉(zhuǎn)動(dòng)的一組鋁片叫動(dòng)片。轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)片，使兩組鋁片的正對(duì)面積發(fā)生變化，電容就隨著改變。 (出示電容器示教板，介紹各種電容器，讓學(xué)生注意各種電容器的表示符號(hào)) 3．電容器的兩個(gè)重要參數(shù) （1）電容 （2）額定電壓、擊穿電壓 加在電容器兩極上的電壓不能超過(guò)某一限度，超過(guò)這個(gè)限度，電介質(zhì)將被擊穿，電容器損壞，這個(gè)極限電壓稱(chēng)為擊穿電壓。電容器外殼上標(biāo)的是工作電壓，或稱(chēng)額定電壓，這個(gè)數(shù)值比擊穿電壓低。 電容值及額定電壓值是電容器的兩個(gè)重要參量。使用前，應(yīng)看清它的這兩個(gè)參量才能正確使用。其他電器元件也有它的參量，學(xué)生應(yīng)養(yǎng)成使用前先了解它們的參量的習(xí)慣。 【做一做】 ［小結(jié)］ 通過(guò)本節(jié)學(xué)習(xí)，主要學(xué)了以下幾點(diǎn)： 1．電容器、電容的概念，電容的定義式C＝。知道電容器充電時(shí)，電容器與電源相連，電源能量→電場(chǎng)能；電容器放電時(shí)，電容器與導(dǎo)線相連，電場(chǎng)能→其他形式能。知道了充電后的電容器仍與電源相連時(shí)，兩板間的電勢(shì)差不變；與電源斷開(kāi)后，兩板上的電荷量不變。知道電容是描述電容器容納電荷的本領(lǐng)的物理量，由電容器本身商決定。 2．知道了與平行板電容器電容有關(guān)的因素，掌握了平行板電容器電容的決定公式：C＝。 3．了解了常用電容器，知道常用的電容器有固定電容器和可變電容器兩大類(lèi)。 4．學(xué)到了一種處理問(wèn)題的方法：遇到不易理解的問(wèn)題可以用熟知的東西類(lèi)比理解。 ［布置作業(yè)］ 教材第32頁(yè)“問(wèn)題與練習(xí)”。