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.doc

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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)問題。 過程與方法 結(jié)合實(shí)物觀察與演示，在計(jì)算過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)過程 ［新課導(dǎo)入］ 場(chǎng)強(qiáng)與電勢(shì)有無直接關(guān)系？ 無直接關(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)體稱為電容的兩極。 下面以平行板電容器為例來學(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程叫做充電。 ②充電過程的能量轉(zhuǎn)化 在充電過程中，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，兩個(gè)極板間有電場(chǎng)存在。充電過程中由電源獲得的電能貯存在電場(chǎng)中，稱為電場(chǎng)能。 充電過程──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程叫做放電。 ②放電過程的能量轉(zhuǎn)化 在放電過程中，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，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。或等于使電容器兩極板間電勢(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關(guān)。 （4）單位 在國際單位制中，電容的單位是法拉，簡(jiǎn)稱法，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?。籗減小時(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電源，電源不再繼續(xù)對(duì)電容器充電，同時(shí)也沒有導(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)：一般來說，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)，稱為電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。空氣的相對(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。 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。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改變正對(duì)面積來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，卷起來，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某一限度，超過這個(gè)限度，電介質(zhì)將被擊穿，電容器損壞，這個(gè)極限電壓稱為擊穿電壓。電容器外殼上標(biāo)的是工作電壓，或稱額定電壓，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。 4．學(xué)到了一種處理問題的方法：遇到不易理解的問題可以用熟知的東西類比理解。 ［布置作業(yè)］ 教材第32頁“問題與練習(xí)”。