2019-2020人教版物理選修3-1 第1章 8 電容器的電容

8電容器的電容[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道電容器的概念，認(rèn)識(shí)常見(jiàn)的電容器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)感知電容器的充、放電現(xiàn)象。(重點(diǎn))2.理解電容的定義及定義方法，掌握電容的定義、公式、單位，并會(huì)應(yīng)用定義式進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算。(難點(diǎn))3.了解影響平行板電容器大小的因素，了解平行板電容器的電容公式。(重點(diǎn))4.知道改變平行板電容器電容大小的方法。一、電容和電容器1．電容器：兩個(gè)相互靠近又彼此絕緣的導(dǎo)體組成一個(gè)電容器。2．電容器的充電和放電(1)充電：使電容器兩極板帶上等量異種電荷的過(guò)程叫作充電。如圖甲所示。特征：兩極板所帶等量異種電荷均勻分布在兩極板相對(duì)的內(nèi)表面。電容器充電示意圖電容器放電示意圖甲乙(2)放電：使充電后的電容器失去電荷的過(guò)程叫作放電。如圖乙所示。特征：放電過(guò)程是儲(chǔ)存在電場(chǎng)中的電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的過(guò)程。(3)電容器的帶電荷量是指其中一個(gè)極板所帶電荷量的絕對(duì)值。3．電容(1)定義：電容器所帶的電荷量Q與電容器兩極板間的電勢(shì)差U的比值，公式為C＝(2)物理意義：表示電容器容納電荷的本領(lǐng)的大小。。(3)單位：在國(guó)際單位制中是法拉(F)，1F＝1C/V，1F＝106μF＝1012pF。二、平行板電容器1．平行板電容器(1)結(jié)構(gòu)：由兩個(gè)相互平行且彼此絕緣的金屬板構(gòu)成。(2)電容的決定因素：電容C與兩極板間的相對(duì)介電常數(shù)εr成正比，跟極板的正對(duì)面積S成正比，跟極板間的距離d成反比。(3)電容的決定式：C＝中k為靜電力常量。，εr為電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。當(dāng)兩極板間是真空時(shí)：C＝，式2．電容器的額定電壓和擊穿電壓(1)額定電壓：電容器能夠長(zhǎng)期正常工作時(shí)的電壓。(2)擊穿電壓：電介質(zhì)被擊穿時(shí)在電容器兩極板上的極限電壓，若電壓超過(guò)這一限度，則電容器就會(huì)損壞。1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)其他條件不變時(shí)，平行板電容器的電容隨極板正對(duì)面積的增大而增大。(√)(2)其他條件不變時(shí)，平行板電容器的電容隨極板間距離的增大而增大。(×)(3)任何電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)都大于1。(√)(4)某電容器上標(biāo)有“1.5μF9V”的字樣，則該電容器的擊穿電壓為9V。(5)電容器被擊穿后就沒(méi)有了容納電荷的本領(lǐng)。(√)(×)2．(多選)如圖所示的各圖描述的是對(duì)給定的電容器充電時(shí)其電荷量Q、電勢(shì)差U、電容C之間相互關(guān)系的圖象，其中正確的是()ABCDCD[電容器的電容是由電容器本身屬性決定的，與電容器所帶電荷量Q的大小和兩極板間的電勢(shì)差U的大小無(wú)關(guān)，不能認(rèn)為C與Q成正比，與U成反比，故選項(xiàng)D正確，A、B錯(cuò)誤。而C圖表示電容器所帶電荷量與極板間的電勢(shì)差成正比，其比值即電容器的電容，故選項(xiàng)C正確。]3．(多選)有一個(gè)空氣平行板電容器，極板間相距d，正對(duì)面積為S，充以電荷量Q后，兩極板間電壓為U，為使電容器的電容加倍，可采用的辦法是()A．將電壓變?yōu)锽．將帶電荷量變?yōu)?QC．將極板間的距離變?yōu)镈．兩板間充滿介電常數(shù)為2的電介質(zhì)CD[電容器的電容與電容器極板上的電荷量、電壓無(wú)關(guān)，所以選項(xiàng)A、B不正確；根據(jù)公式C＝，可以知道選項(xiàng)C、D正確。]對(duì)電容的理解1.兩公式C＝與C＝的比較公式C＝C＝公式特點(diǎn)定義式?jīng)Q定式平行板電容器，Cεr，CS，C意義聯(lián)系對(duì)某電容器QU，但＝C不變，反映電容器容納電荷的本領(lǐng)來(lái)量度，由本身的結(jié)構(gòu)(如平行板電容器，反映了影響電容大小的因素電容器容納電荷的本領(lǐng)由的εr、S、d等因素)來(lái)決定2.通過(guò)QU圖象來(lái)理解C＝。如圖所示，在QU圖象中，電容是一條過(guò)原點(diǎn)的直線的斜率，其中Q為一個(gè)極板上所帶電荷量的絕對(duì)值，U為兩極板間的電勢(shì)差，可以看出，電容器電容也可以表示為C＝，即電容器的電容的大小在數(shù)值上等于兩極板間的電壓增加(或減小)1V所需增加(或減少)的電荷量?！纠?】有一充電的平行板電容器，兩板間電勢(shì)差為3V，現(xiàn)使它的電荷量減少3×10－4C，于是電容器兩板間的電勢(shì)差降為原來(lái)的，則此電容器的電容是多大？電容器原來(lái)帶的電荷量是多少？若將電容器極板上的電荷量全部放掉，電容器的電容是多大？[解析]電容器兩極板間電勢(shì)差的變化量為ΔU＝U＝×3V＝2V由C＝F＝1.5×10－4F＝150μF設(shè)電容器原來(lái)帶的電荷量為Q，則Q＝CU＝1.5×10－4×3C＝4.5×10－4，得C＝C電容器的電容是由其本身決定的，與是否帶電無(wú)關(guān)，所以電容器極板上的電荷量全部放掉后，電容仍然是150μF。[答案]150μF4.5×10－4C150μF1．一個(gè)平行板電容器，使它每個(gè)極板所帶電荷量從Q1＝3×10－5C增加到Q2＝3.6×10－5C時(shí)，兩極板間的電勢(shì)差從U1＝10V增加到U2＝12V，求這個(gè)電容器的電容。如要使兩極板電勢(shì)差從U1＝10V降到U2′＝6V，則每個(gè)極板需減少多少電荷量？[解析]由電容器的電容定義式C＝可知Q＝CU。當(dāng)電荷量為Q1時(shí)，Q1＝CU1。當(dāng)電荷量為Q2時(shí)，＝3μF。Q2＝CU2。顯然Q2－Q1＝C(U2－U1)，即C＝＝當(dāng)兩極板間電勢(shì)差降到6V時(shí)，每極板應(yīng)減少的電荷量為ΔQ′＝CΔU′＝3×10－6×(10－6)C＝1.2×10－5C。[答案]3μF1.2×10－5C平行板電容器的兩類動(dòng)態(tài)問(wèn)題平行板電容器的兩類動(dòng)態(tài)問(wèn)題指的是電容器始終連接在電源兩端，或充電后斷開(kāi)電源兩種情況下，電容器的d、S或者εr發(fā)生變化時(shí)，判斷C、Q、U、E隨之怎樣變化。具體分析方法如下。1．公式分析法(C＝C＝E＝)C＝始終連接在電源兩端充電后斷開(kāi)電源U不變Q不變Q＝UCCE＝U＝E＝2.形象記憶法兩極板間電介質(zhì)不變時(shí)，還可以認(rèn)為一定量的電荷對(duì)應(yīng)著一定數(shù)目的電場(chǎng)線，兩極板間距離變化時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)不變；兩極板正對(duì)面積變化時(shí)，如圖丙電場(chǎng)線變密，場(chǎng)強(qiáng)增大?！纠?】研究與平行板電容器電容有關(guān)因素的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，下列說(shuō)法正確的是()A．實(shí)驗(yàn)前，只用帶電玻璃棒與電容器a板接觸，能使電容器帶電B．實(shí)驗(yàn)中，只將電容器b板向上平移，靜電計(jì)指針的張角變小C．實(shí)驗(yàn)中，只在極板間插入有機(jī)玻璃板，靜電計(jì)指針的張角變大D．實(shí)驗(yàn)中，只增加極板帶電荷量，靜電計(jì)指針的張角變大，表明電容增大思路點(diǎn)撥：通過(guò)題圖，可以獲得以下信息：(1)平行板電容器電荷量保持不變。(2)靜電計(jì)小球與外殼間電壓和電容器兩極間電壓相同。(3)靜電計(jì)指針偏角與靜電計(jì)小球和外殼間電壓成正比。A[當(dāng)用帶電玻璃棒與電容器a板接觸，由于靜電感應(yīng)，從而在b板感應(yīng)出等量的異種電荷，從而使電容器帶電，故選項(xiàng)A正確；根據(jù)電容器的決定式：C＝小，則電容C減小，根據(jù)C＝可知，電荷量Q不變，則電壓U增大，則靜電計(jì)指針的張角變大，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤；根據(jù)電容器的決定式：C＝，只在極板間插入有機(jī)玻璃板，則介電系數(shù)εr增大，則電容C增大，根據(jù)C＝可知，電荷量Q不變，則電壓U減小，則靜電計(jì)指針的張角減小，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；根據(jù)C＝可知，電荷量Q增大，則電壓U也會(huì)增大，但電容C不變，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。]，將電容器b板向上平移，即正對(duì)面積S減(1)靜電計(jì)是在驗(yàn)電器的基礎(chǔ)上改造而成的，靜電計(jì)由相互絕緣的兩部分組成，靜電計(jì)與電容器的兩極板分別連接在一起，則電容器上的電勢(shì)差就等于靜電計(jì)上所指示的電勢(shì)差U，U的大小就從靜電計(jì)的刻度讀出，可見(jiàn)，靜電計(jì)指針的變化表征了電容器兩極板電勢(shì)差的變化。(2)靜電計(jì)本身也是一個(gè)電容器，但靜電計(jì)容納電荷的本領(lǐng)很弱，即電容很小，當(dāng)帶電的電容器與靜電計(jì)連接時(shí)，可認(rèn)為電容器上的電荷量保持不變。2．一平行板電容器兩極板之間充滿云母介質(zhì)，接在恒壓直流電源上。若將云母介質(zhì)移出，則電容器()A．極板上的電荷量變大，極板間電場(chǎng)強(qiáng)度變大B．極板上的電荷量變小，極板間電場(chǎng)強(qiáng)度變大C．極板上的電荷量變大，極板間電場(chǎng)強(qiáng)度不變D．極板上的電荷量變小，極板間電場(chǎng)強(qiáng)度不變D[平行板電容器電容的表達(dá)式為C＝，將極板間的云母介質(zhì)移出后，導(dǎo)致電容器的電容C變小。由于極板間電壓不變，據(jù)Q＝CU知，極板上的電荷量變小。再考慮到極板間電場(chǎng)強(qiáng)度E＝U、d不變，所以極板間電場(chǎng)強(qiáng)度不變，選項(xiàng)D正確。]，由于電容器中帶電粒子的平衡與運(yùn)動(dòng)問(wèn)題【例3】如圖所示，充電后的平行板電容器水平放置，電容為C，極板間距離為d，上極板正中有一小孔。質(zhì)量為m、電荷量為＋q的小球從小孔正上方高h(yuǎn)處由靜止開(kāi)始下落，穿過(guò)小孔到達(dá)下極板處速度恰為零(空氣阻力忽略不計(jì)，極板間電場(chǎng)可視為勻強(qiáng)電場(chǎng)，重力加速度為g)。求：(1)小球到達(dá)小孔處的速度；(2)極板間電場(chǎng)強(qiáng)度大小和電容器所帶電荷量；(3)小球從開(kāi)始下落運(yùn)動(dòng)到下極板處所需的時(shí)間。思路點(diǎn)撥：(1)小球在小孔上方做自由落體運(yùn)動(dòng)。(2)小球在板間做勻減速直線運(yùn)動(dòng)。(3)電容器所帶電荷量與板間電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系為Q＝CEd。[解析](1)小球從開(kāi)始下落到上極板間做自由落體運(yùn)動(dòng)，由v2＝2gh得v＝(2)在極板間帶電小球受重力和電場(chǎng)力作用，由牛頓第二定律得：mg－qE＝ma。由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式知：0－v2＝2ad整理得電場(chǎng)強(qiáng)度E＝。由U＝Ed，Q＝CU，得電容器所帶電荷量Q＝。(3)由h＝gt，0＝v＋at2，t＝t1＋t2整理得t＝。[答案](1)(2)(3)(1)上例中若充電后電源與兩極板斷開(kāi)，將上極板上移一小段距離，其他條件不變，則小球能否到達(dá)下極板？提示：充電后與電源斷開(kāi)則Q保持不變，上極板上移時(shí)，兩板間的場(chǎng)強(qiáng)不變；上板上移時(shí)d增大，但h＋d不變，則由動(dòng)能定理：mg(h＋d)－qEd＜0，所以小球不能到達(dá)下極板。(2)上例中，若充電后電源與兩極板相連，將下極板下移一小段距離，其他條件不變，則小球能否到達(dá)下極板？提示：由于兩極板與電源相連，則兩板間的電壓不變，d增大時(shí)，則由mg(h＋d)－qU＞0知，小球會(huì)打到下極板上。3．(多選)如圖所示，兩塊較大的金屬板A、B相距為d，平行放置并與一電源相連，S閉合后，兩板間恰好有一質(zhì)量為m、帶電荷量為q的油滴處于靜止?fàn)顟B(tài)，以下說(shuō)法正確的是()A．若將S斷開(kāi)，則油滴將做自由落體運(yùn)動(dòng)，G表中無(wú)電流B．若將A向左平移一小段位移，則油滴仍然靜止，G表中有b→a的電流C．若將A向上平移一小段位移，則油滴向下加速運(yùn)動(dòng)，G表中有b→a的電流D．若將A向下平移一小段位移，則油滴向上加速運(yùn)動(dòng)，G表中有b→a的電流BC[將S斷開(kāi)，電容器電量不變，板間場(chǎng)強(qiáng)不變，故油滴仍處于靜止?fàn)顟B(tài)，A錯(cuò)誤；若S閉合，將A板左移，由E＝可知，E不變，油滴仍靜止，而電容C變小，電容器極板電量Q＝CU變小，電容器放電，則有由b→a的電流，故B正確；將A板上移，則E＝可知，E變小，油滴應(yīng)向下加速運(yùn)動(dòng)，電容C變小，電容器要放電，則有由b→a的電流流過(guò)G，故C正確；當(dāng)A板下移時(shí)，板間電場(chǎng)強(qiáng)度增大，油滴受的電場(chǎng)力增加，油滴向上加速運(yùn)動(dòng)，C增大，電容器要充電，則有由a→b的電流流過(guò)G，故D錯(cuò)誤。]課堂小結(jié)知識(shí)脈絡(luò)1.對(duì)電容及電容器的理解。2.平行板電容器的動(dòng)態(tài)分析問(wèn)題。3.帶電體在電容器中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。1．下列關(guān)于電容器的敘述正確的是()A．電容器是儲(chǔ)存電荷的容器，只有帶電的容器才是電容器B．任何兩個(gè)彼此絕緣且相距很近的物體都組成了電容器C．電容器所帶的電荷量是指每個(gè)極板所帶電荷量的代數(shù)和D．電容器充電過(guò)程是將其他形式的能轉(zhuǎn)變成電容器的電能并儲(chǔ)存起來(lái)，電容器放電過(guò)程是將電容器儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能D[電容器是儲(chǔ)存電荷的容器，與其是否帶電無(wú)關(guān)，A錯(cuò)誤；任何兩個(gè)彼此絕緣而又相距很近的導(dǎo)體組成一個(gè)電容器，B錯(cuò)誤；電容器所帶的電荷量指任一極板所帶電荷量的絕對(duì)值，C錯(cuò)誤；電容器的充、放電伴隨能量轉(zhuǎn)化，D正確。]2．(多選)傳感器是把非電學(xué)量(如速度、溫度、壓力等)的變化轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的變化的一種元件，在自動(dòng)控制中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。如圖所示是測(cè)定液面高度h的電容式傳感器，在金屬芯柱的外面涂上一層絕緣物質(zhì)，放入導(dǎo)電液體中，金屬芯柱和導(dǎo)電液體構(gòu)成電容器的兩個(gè)極板，金屬芯柱外面的絕緣物質(zhì)就是電介質(zhì)。測(cè)出電容器電容C的變化，就可以知道h的變化情況，兩者的關(guān)系是()A．C增大表示h增大B．C增大表示h減小C．C減小表示h減小D．C減小表示h增大AC[根據(jù)h的變化可以判斷兩極板正對(duì)面積的變化，從而判斷電容C的變化。由C知，εr、d一定時(shí)，電容器的電容C增大，表明電容器兩極板的正對(duì)面積增