2.5 科學(xué)探究：電容器 學(xué)案-2021-2022學(xué)年高一下學(xué)期物理魯科版（2019）必修第三冊(cè)

1、科學(xué)探究：電容器 學(xué)案學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.知道電容器的概念，了解電容器的充、放電現(xiàn)象.2.理解電容的概念，掌握電容的定義式、單位，并能應(yīng)用定義式進(jìn)行計(jì)算.3.理解平行板電容器的電容公式，知道改變平行板電容器電容大小的方法.4.知道常見的電容器及其結(jié)構(gòu)，電容器的應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)：一、觀察電容器的充、放電現(xiàn)象1能儲(chǔ)存電荷的電學(xué)元件稱為電容器。兩塊彼此絕緣的平行金屬板可組成最簡(jiǎn)單的電容器，即平行板電容器。2電容器的充、放電現(xiàn)象電容器充電電容器放電兩極板分別帶上等量異種電荷兩極板上電荷互相中和有瞬時(shí)的充電電流流向正極板有瞬時(shí)的放電電流流向負(fù)極板兩極板間形成電場(chǎng)儲(chǔ)存電能兩極板間失去電場(chǎng)，電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能說明

2、：平行板電容器所帶的電荷量，是指一個(gè)極板上所帶電荷量的絕對(duì)值。二、電容器的電容1電容(1)定義：電容器所帶的電荷量Q跟兩極板間電勢(shì)差U的比值。(2)公式：Ceq f(Q,U)。(3)單位國(guó)際單位：法拉，符號(hào)：F。常用單位：微法(F)，皮法(pF)。單位關(guān)系：1 F106F1012pF。2平行板電容器(1)決定電容的因素：平行板電容器的電容C與正對(duì)面積S成正比，與極板間的距離d成反比，與極板之間電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)r成正比。(2)計(jì)算式：Ceq f(rS,4kd)，真空中時(shí)：Ceq f(S,4kd)。注意：定義式Ceq f(Q,U)中，C與Q無關(guān)，C與U無關(guān)，與其本身構(gòu)造有關(guān)。三、常見電容器及其

3、應(yīng)用1電容器的分類(1)按電介質(zhì)分：空氣電容器、云母電容器、紙質(zhì)電容器、陶瓷電容器、滌綸電容器、電解電容器等。(2)按電容是否可變分：可變電容器和固定電容器。2(1)額定電壓：電容器安全工作的最高電壓值稱為標(biāo)稱電壓，也稱額定電壓。(2)擊穿電壓：電容器耐壓的極限值稱為擊穿電壓，擊穿后電容器的兩極板因?qū)ǘ鴵p壞。3應(yīng)用：利用電容器可監(jiān)測(cè)水位的變化。當(dāng)水位升高時(shí)，平行板電容器的電容增大，當(dāng)水位降低時(shí)電容減小，根據(jù)電容的變化即可測(cè)出水位的變化。注意：電容器外殼上標(biāo)的電壓是標(biāo)稱電壓也稱額定電壓，低于擊穿電壓。重難點(diǎn)理解：一、觀察電容器的充、放電現(xiàn)象1實(shí)驗(yàn)原理(1)電容器的充電過程如圖所示，當(dāng)開關(guān)S接1

4、時(shí)，電容器接通電源，在電場(chǎng)力的作用下自由電子從正極板經(jīng)過電源向負(fù)極板移動(dòng)，正極板因失去電子而帶正電，負(fù)極板因獲得電子而帶負(fù)電。正、負(fù)極板帶等量的正、負(fù)電荷。電荷在移動(dòng)的過程中形成電流。在充電開始時(shí)電流比較大，以后隨著極板上電荷的增多，電流逐漸減小，當(dāng)電容器兩極板間電壓等于電源電壓時(shí)，電荷停止移動(dòng)，電流I0。(2)電容器的放電過程如圖所示，當(dāng)開關(guān)S接2時(shí)，將電容器的兩極板直接用導(dǎo)線連接起來，電容器正、負(fù)極板上電荷發(fā)生中和。在電子移動(dòng)過程中，形成電流，放電開始電流較大，隨著兩極板上的電荷量逐漸減小，電路中的電流逐漸減小，兩極板間的電壓也逐漸減小，最后減小到零。2實(shí)驗(yàn)器材6 V的直流電源、 單刀雙擲

5、開關(guān)、平行板電容器、電流表、電壓表、 小燈泡。3實(shí)驗(yàn)步驟(1)按圖連接好電路。(2)把單刀雙擲開關(guān)S接1，觀察電容器的充電現(xiàn)象，并將結(jié)果記錄在表格中。(3)將單刀雙擲開關(guān)S接3，觀察電容器的放電現(xiàn)象，并將結(jié)果記錄在表格中。(4)記錄好實(shí)驗(yàn)結(jié)果，關(guān)閉電源。實(shí)驗(yàn)記錄和分析： 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象電容器充電燈泡燈泡的亮度由明到暗最后熄滅電流表1電流表1的讀數(shù)由大到小最后為零電壓表電壓表的讀數(shù)由小到大最后為6 V電容器放電燈泡燈泡的亮度由明到暗最后熄滅電流表2電流表2的讀數(shù)由大到小最后為零電壓表電壓表的讀數(shù)由大到小最后為零4.注意事項(xiàng)(1)電流表要選用小量程的靈敏電流計(jì)。(2)要選擇大容量的電容器。(3)

6、實(shí)驗(yàn)要在干燥的環(huán)境中進(jìn)行。(4)在做放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，在電路中串聯(lián)一個(gè)電阻，以免燒壞電流表。二、對(duì)電容的定義式Ceq f(Q,U)的理解(1)電容由電容器本身的構(gòu)造決定電容器的電容是反映電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量，用比值Ceq f(Q,U)來定義，但電容的大小與Q、U無關(guān)，是由電容器本身的構(gòu)造決定的(2)通過Q U圖像理解，如圖所示，Q U圖像是一條過原點(diǎn)的直線，其中Q為一個(gè)極板上所帶電荷量的絕對(duì)值，U為兩板間的電勢(shì)差，直線的斜率表示電容大小因而電容器的電容也可以表示為Ceq f(Q,U)，即電容的大小在數(shù)值上等于兩極板間的電壓增加(或減小)1 V所增加(或減小)的電荷量二、電容器的動(dòng)態(tài)分析1.板間

7、電場(chǎng)強(qiáng)度的兩個(gè)公式(1)板間電壓與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系公式：Eeq f(U,d).(2)板間電場(chǎng)強(qiáng)度的決定公式：Eeq f(4kQ,rS)(或Eeq f(Q,S)(公式的推導(dǎo)：Eeq f(U,d)eq f(Q,Cd)eq f(4kQ,rS)，所以Eeq f(Q,S)2平行板電容器的兩類典型問題兩類問題始終與電源連接充電后與電源斷開不變量U不變Q不變自變量dS因變量Eeq f(U,d)，d變大，E變??；d變小，E變大Eeq f(4kQ,rS)，S變大，E變??；S變小，E變大Qeq f(rS,4kd)U，d變大，Q變??；d變小，Q變大Ueq f(4kd,rS)Q，S變大，U變小；S變小，U變大典例1、一

8、個(gè)平行板電容器，使它每個(gè)極板的電荷量從Q130106 C增加到Q236106 C時(shí)，兩板間的電勢(shì)差從U110 V增加到U2，求：(1)這個(gè)電容器的電容多大？(2)U2為多少？(3)如要使兩極板電勢(shì)差從10 V降為U26 V，則每板需減少多少電荷量？解析(1)電容器的電容Ceq f(Q1,U1)eq f(30106,10) F3106 F3 F.(2)因?yàn)殡娙萜鞯碾娙莶蛔兯訳2eq f(Q2,C)eq f(36106,3106) V12 V.(3)根據(jù)電容的定義，它等于每增加(或減少)1 V電勢(shì)差所需增加(或減少)的電荷量，即Ceq f(Q,U)，要求兩極板間電勢(shì)差降為6 V，則每板應(yīng)減少的電

9、荷量為QCU3106(106) C1.2105 C.答案(1)3 F(2)12 V(3)1.2105 C典例2、(多選)如圖所示，用靜電計(jì)可以測(cè)量已充電的平行板電容器兩極板之間的電勢(shì)差U，現(xiàn)使B板帶正電，則下列判斷正確的是()A增大兩極板之間的距離，靜電計(jì)指針張角變大B將A板稍微上移，靜電計(jì)指針張角變大C若將玻璃板插入兩板之間，則靜電計(jì)指針張角變大D若將A板拿走，則靜電計(jì)指針張角變?yōu)榱鉇B靜電計(jì)的指針夾角表示兩極間電壓的大小，電壓大，指針的夾角大。電容器上所帶電荷量一定，由公式Ceq f(rS,4kd)知，當(dāng)d變大時(shí)，C變小，再由Ceq f(Q,U)得U變大；當(dāng)A板上移時(shí)，正對(duì)面積S變小，C也

10、變小，U變大；當(dāng)插入玻璃板時(shí)，C變大，U變??；當(dāng)將A板拿走時(shí)，相當(dāng)于使d變得更大，C更小，故U應(yīng)更大，故選項(xiàng)A、B正確。對(duì)平行板電容器定性分析的步驟(1)確定不變量。電容器與電源相連時(shí)，電壓U不變；電容器充電后與電源斷開時(shí)，所帶電荷量Q不變。(2)根據(jù)決定式Ceq f(rS,4kd)和S、r、d的變化分析平行板電容器電容的變化。(3)根據(jù)定義式Ceq f(Q,U)分析電容器所帶電荷量Q或兩極板間電壓U的變化。(4)用Eeq f(U,d)或Eeq f(Q,S)分析電容器兩極板間場(chǎng)強(qiáng)的變化，或根據(jù)電容器帶電荷量Q的變化分析回路中的電流方向。鞏固練習(xí)：1.(多選)如圖所示是一種通過測(cè)量電容器電容的變

11、化，來檢測(cè)液面高低的儀器原理圖，分別用導(dǎo)線把電容器的兩個(gè)電極接到指示器上，指示器可顯示電容的大小下列關(guān)于該儀器的說法中正確的有()A該儀器中電容的兩個(gè)電極分別是芯柱和導(dǎo)電液體B芯柱外套的絕緣管越厚，該電容器的電容越大C如果指示器顯示出電容增大了，則說明容器中液面升高了D如果指示器顯示出電容減小了，則說明容器中液面升高了2.平行板電容器充電后斷開電源，現(xiàn)將其中一塊金屬板沿遠(yuǎn)離另一極板的方向平移一小段距離下圖表示此過程中電容器兩極板間電場(chǎng)強(qiáng)度E隨兩極板間距離d的變化關(guān)系，正確的是()ABC D3.在如圖所示的電路中，閉合開關(guān)S，用電壓為U的直流電源對(duì)平行板電容器充電，要使電容器兩板間電壓大于U，可采取的辦法為()A先將S斷開，然后將兩板間距離拉大一些B先將兩板間距離拉大一些，然后將S斷開C先將兩板正對(duì)面積減少一些，然后將S斷開D先將S斷開，然后將兩板間距離減小一些4.如圖