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第4節(jié)
電容器的電容第十章
人教版
高中物理必修三水可以用容器儲(chǔ)存起來,電荷是不是也可以用一個(gè)“容器”儲(chǔ)存起來。圖中的元件就是這樣的“容器”
——電容器。新課導(dǎo)入電容器是電氣設(shè)備中的一種很重要的元件,在電子技術(shù)和電工技術(shù)中有很重要的應(yīng)用。那么,它的內(nèi)部構(gòu)造是怎樣的?新課導(dǎo)入1.構(gòu)造:在兩個(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)),就組成了一個(gè)最簡(jiǎn)單的電容器,叫作平行板電容器。2.作用:儲(chǔ)存電荷思考:相鄰的兩個(gè)同學(xué)是否能構(gòu)成電容器?3.電路圖符號(hào):任何兩個(gè)彼此絕緣又相互靠近的導(dǎo)體都能構(gòu)成電容器。那么,如何往電容器內(nèi)“裝”電荷呢?一、電容器使電容器的兩個(gè)極板分別帶上等量的異種電荷,這個(gè)過程叫充電。U(1)兩極板帶等量異種電荷;
(2)電路中無電流。(3)兩極板間有與電源相等的電壓;(4)兩極板間有勻強(qiáng)電場(chǎng);
(5)兩極板間儲(chǔ)存有電場(chǎng)能;充電完成后:VRCSab12E電能電場(chǎng)能1.1、電容器的充電UVRCSabE已經(jīng)充電的電容器兩極板上的電荷的中和過程,叫放電。(1)兩極板帶電量為0;
(2)兩極板間電壓U=0;(3)兩極板間場(chǎng)強(qiáng)E=0;
(4)兩極板間無電場(chǎng)能。放電完成后:12其他形式能電場(chǎng)能1.2、電容器的放電思考:放電過程中靈敏電流計(jì)中電流的方向?(2)若保持與電源連接,則板間電壓
U不變;(3)若斷開電源,則極板所帶電量
Q不變。(1)充放電時(shí)間極短,充放電完成后,靈敏電流計(jì)的指針不偏轉(zhuǎn),
說明此時(shí)電路中沒有電流。關(guān)鍵點(diǎn)撥在實(shí)際應(yīng)用中需要注意:
電流傳感器可以向電流表一樣測(cè)量電流,不同的是,它的反應(yīng)非???,可以捕捉到瞬間的電流變化。按照下圖連接電路,先使開關(guān)S與1端連接,電源向電容器充電。然后把開關(guān)S擲向2端,電容器通過電阻R放電,傳感器將放電電流的信息輸入計(jì)算機(jī),觀察計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出的放電電流隨時(shí)間變化的I-t圖像,并思考下列問題:(1)I-t圖像與坐標(biāo)軸所圍成的“面積”的物理意義是什么?(2)怎樣估算I-t圖像與坐標(biāo)軸所圍成的“面積”,請(qǐng)計(jì)算本次實(shí)驗(yàn)電容器放出的電荷量。拓展學(xué)習(xí):用傳感器觀察電容器的放電過程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)微元法:
Q=I
t
I-t圖像“面積”表示電荷量I-t圖像拓展學(xué)習(xí):用傳感器觀察電容器的放電過程照相機(jī)的閃光燈原理
照相機(jī)的閃光燈,在不到0.001s的短暫時(shí)間內(nèi)發(fā)出強(qiáng)烈閃光,瞬間電流很大,各種電池都不能承受。在實(shí)際中,常常用電容器幫助閃光實(shí)現(xiàn)它的功能。拍照前用較長(zhǎng)的時(shí)間(一般幾秒)給電容器充電,拍照時(shí)觸發(fā)閃光燈,使電容器通過燈管瞬間放電,發(fā)出耀眼的白光。然后電源又給電容器充電,為下次閃光做準(zhǔn)備。閃光燈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)課堂練習(xí)AD既然電容器能儲(chǔ)存電荷,那么如何反映電容器容納電荷的本領(lǐng)大小呢?
實(shí)驗(yàn)探究
斷開開關(guān)S1,閉合開關(guān)S2,讓B的兩極板完全放電,隨后再斷開開關(guān)S2,把B和A并聯(lián),電容器A所攜帶的電荷量變成原來的多少,電壓表示數(shù)有什么變化?
實(shí)驗(yàn)結(jié)論:對(duì)于同一電容器,電容器所帶的電荷量Q與電容器兩極板間的電勢(shì)差U成正比,即比值Q/U是一個(gè)常量;對(duì)于不同的電容器,這個(gè)比值一般不同。這個(gè)比值就表示了電容器儲(chǔ)存電荷的特性。實(shí)驗(yàn)探究4.物理意義:描述電容器容納電荷的本領(lǐng)。電容越大,表明在相同電勢(shì)差情況下,電容器所帶的電荷越多。1.定義:電容器所帶電量Q與電容器兩極板間電勢(shì)差
U的比值,叫電容器的電容。用C表示;2.定義式:3.單位:法拉(F)
1F=1C/V1F=106μF=1012pF二、電容
加在電容器兩極板上的電壓不能超過某一個(gè)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。表示電容器性能的兩個(gè)重要物理量(1)電容器電容C(2)電容器的耐壓值:電容器所能承受的最大電壓額定電壓額定電壓U<擊穿電壓Um課堂練習(xí)C
兩平行金屬板便可以制成一個(gè)簡(jiǎn)單的電容器,若想要制造一個(gè)容量較大的電容器,該怎么做?請(qǐng)同學(xué)們參考課本P41拓展學(xué)習(xí)部分。電容器的電容跟哪些因素有關(guān)?問題與思考有機(jī)玻璃板++++++------改變d改變S改變電介質(zhì)
多媒體實(shí)驗(yàn)室說明:靜電計(jì)是在驗(yàn)電器的基礎(chǔ)上制成的,用來測(cè)量導(dǎo)體間的電勢(shì)差,從指針的偏轉(zhuǎn)角度就可以知道兩個(gè)導(dǎo)體間的電勢(shì)差的大小。三、探究影響平行板電容器電容的因素保持電量Q不變時(shí)決定式:2.電容C隨正對(duì)面積S減小而減小1.電容C隨極板距離d減小而增大3.電容C會(huì)隨著極板間不同的介質(zhì)而變化實(shí)驗(yàn)結(jié)論:三、探究影響平行板電容器電容的因素電介質(zhì)空氣煤油石蠟陶瓷玻璃云母水1.0005266~84~112.0~2.181
空氣的相對(duì)介電常數(shù)與1十分接近,研究中,空氣對(duì)電容的影響一般可以忽略。幾種常用電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)三、探究影響平行板電容器電容的因素幾種常用電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)控制電壓不變例:(多選)平行板電容器充電平衡后仍與電源相連,兩極板間的電壓是U,充電荷量為Q,兩極板間場(chǎng)強(qiáng)為E,電容為C,現(xiàn)將兩極板間距離減小,則()
A.Q變大 B.C變大C.E不變 D.U變小AB3.1、平行板電容器的動(dòng)態(tài)分析第一步:由題目首先確定電容器兩端電壓U不變還是電荷量Q不變;控制電壓不變分析思路:電容器與電源連接,U不變;電容器與電源連接后斷開,Q不變。第二步:根據(jù)電容的決定式
判斷電容C的變化;
第三步:根據(jù)電容的定義式
判斷電荷量Q或兩端電壓U的變化;第四步:根據(jù)勻強(qiáng)電場(chǎng)中電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系
判斷電場(chǎng)強(qiáng)度E的變化3.1、平行板電容器的動(dòng)態(tài)分析控制電壓不變練1:用控制變量法,可以研究影響平行板電容器電容的因素,如圖所示。設(shè)兩極板正對(duì)面積為S,極板間的距離為d,靜電計(jì)指針偏角為θ。實(shí)驗(yàn)中,極板所帶電荷量不變,若()A.保持d不變,減小S,則θ不變B.保持d不變,減小S,則θ變小C.保持S不變,增大d,則θ變小D.保持S不變,增大d,則θ變大D3.1、平行板電容器的動(dòng)態(tài)分析控制電壓不變
BC3.1、平行板電容器的動(dòng)態(tài)分析四、常用電容器1.固定電容器(1)聚苯乙烯電容器:以聚苯乙烯薄膜為電介質(zhì),兩層鋁箔為極板。用鋁箔做一個(gè)極板,以鋁箔上很薄的一層氧化膜為電介質(zhì),用浸過電解液的紙做另一個(gè)極板。有“+”、“-”極之分,不能接反,不能接交流電。(2)電解電容器:四、常用電容器2.可變電容器:兩極由兩組鋁片組成,固定的一組鋁片叫做定片;可以轉(zhuǎn)動(dòng)的一組鋁片叫做動(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,電容相應(yīng)變化。
可變電容器按其使用的介質(zhì)材料可分為空氣介質(zhì)可變電容器和固體介質(zhì)可變電容器。四、常用電容器3.超級(jí)電容器:
超級(jí)電容器是指介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲(chǔ)能裝置,它既具有電容器快速充放電的特性,同時(shí)又具有電池的儲(chǔ)能特性。課堂總結(jié)1、電容器的結(jié)構(gòu)和作用:2、電容器充電和放電的特點(diǎn):3、電容的定義和物理意義:4、影響平行板電容器的因素:5、平行板電容動(dòng)態(tài)分析思路:6、常用電容器:【練習(xí)1】如圖,由兩塊相互靠近的平行金屬板組成的平行板電容器,極板N與靜電計(jì)相接,極板M和靜電計(jì)的外殼都接地。用靜電計(jì)測(cè)量平行板電容器兩極板間的電勢(shì)差U。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,保持電容器所帶電量Q不變,下面哪些操作將使靜電計(jì)指針張角變?。ǎ〢.將N板向下平移B.將M板沿水平向左方向遠(yuǎn)離N板C.在M、N之間插入介質(zhì)D.將M板向上移動(dòng)的同時(shí)遠(yuǎn)離N板【正確答案】C課堂練習(xí)【練習(xí)2】電容器是一種重要的電學(xué)元件,它能夠儲(chǔ)存電荷。電容器儲(chǔ)存電荷的特性用電容表征。如圖所示,在研究電容器充、放電的實(shí)驗(yàn)中,使開關(guān)S擲向1端,電源E對(duì)電容器C充電。下列圖像中,能正確反映電容器充電過程中電流與時(shí)間、電荷量與電壓關(guān)系的是()
A.
B.
C.
D.【正確答案】A課堂練習(xí)【
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