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 知識與技能 1．知道什么是電容器及常見的電容器； 2．知道電場能的概念，知道電容器充電和放電時的能量轉換； 3．理解電容器電容的概念及定義式，并能進行有關的計算； 4．知道平行板電容器的電容與哪些因素有關，掌握平行板電容器電容的決定式，知道其中各項的含義，并能運用其討論有關問題。 過程與方法 結合實物觀察與演示，在計算過程中理解掌握電容器的相關概念、性質。 情感態(tài)度與價值觀 1．體會電容器在實際生活中的廣泛應用，培養(yǎng)學生探究新事物的興趣。 2．滲透了事物的本質是自身的因素，即內因決定，不由外因決定的觀點。電容器兩極板帶等量異種電荷，體現(xiàn)物理學中的對稱美。 教學重點 電容的概念、定義式及平行板電容器電容的決定式。 教學難點 電容器的電容的計算與應用。 教學方法 類比法、實驗法、歸納法、講練法。 教具準備 靜電計、平行板電容器、鐵架臺、電介質板、電容器示教板（上裝各種電容器）、電容器的幻燈片、電池組。 課時安排 1課時 教學過程 ［新課導入］ 場強與電勢有無直接關系？ 無直接關系。E大，φ不一定大，E為零，φ不一定為零，反之亦然。 場強與電勢差有無直接關系？ 有直接關系。在勻強電場中，E＝，d指沿場強方向間距離，僅適用于勻強電場。 勻強電場是最簡單的電場，也是中學階段用得最多的電場。前面我們知道兩塊平行金屬板間的電場是勻強電場，今天我們繼續(xù)學習一種類似于平行金屬板構造的元件──電容器。 ［新課教學］ 一、電容器 1．電容器 電容器是一種重要的電學元件，有廣泛的應用。兩個相距很近的平行金屬板中間夾上一層絕緣物質──電介質（空氣也是一種電介質），就組成一個最簡單的電容器，叫做平行板電容器。這兩個金屬板叫做電容器的極板。實際上，任何兩個彼此絕緣又相距很近的導體，都可以看成一個電容器。 (出示電容器示教板，使學生仔細觀察，找出電容器的共同點) 任何兩個彼此絕緣又相隔很近的導體，組成一個電容器。 電容器能貯藏電量和能量，兩個導體稱為電容的兩極。 下面以平行板電容器為例來學習有關電容器的一些基本知識。 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，把電容器的一個極板與電池組的正極相連，另一個極板與負極相連，兩個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充電過程的能量轉化 在充電過程中，從靈敏電流計可以觀察到短暫的充電電流。充電后，切斷與電源的聯(lián)系，兩個極板上的電荷由于相互吸引而保存下來，兩個極板間有電場存在。充電過程中由電源獲得的電能貯存在電場中，稱為電場能。 充電過程──極板帶電量Q增加，板間電壓U增加，板間場強E增加，電能轉化為電場能。 （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放電過程的能量轉化 在放電過程中，從靈敏電流計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，電場能轉化為其它形式的能。 放電過程──極板帶電量Q減少，板間電壓U減小，板間場強E減小，電場能轉化為其他形式能。 二、電容 1．電容器所帶的電荷量 電容器所帶的電荷量，是指每個極板所帶電荷量的絕對值。 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差，這個電勢差跟電容器所帶的電荷量有關。一個電容器容納電荷的本領如何描述呢？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。對上述問題，不能在電壓不同這種不對等情況下比較電荷量，應在相同電壓下討論，可取1V電壓下對比它們的電荷量。 甲：；乙：，所以甲容納電荷的本領大。 實驗表明，一個電容器所帶的電荷量Q與電容器兩極板間電壓U成正比，比值是一個常量。但不同的電容器，這個比值一般是不同的，可見，這個比值表征了電容器儲存電荷的特性。 總結：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。 （1）定義 電容器所帶電荷量Q與電容器兩極板間的電勢差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差為1V時電容器需要帶的電荷量。或等于使電容器兩極板間電勢差增加1V時所需的電荷量。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的物理量，由電容器本身決定，與電容器是否帶電無關。 （4）單位 在國際單位制中，電容的單位是法拉，簡稱法，符號是F。如果一個電容器帶1C的電量，兩極板間的電勢差是1V，這個電容器的電容就是1F。法拉這個單位太大，實際中常用較小的單位：微法(μF)和皮法(pF)，它們與法拉的關系是： 1F＝106μF＝1012pF 現(xiàn)在已經能夠制成電容超過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。 【演示】 介紹靜電計：靜電計是在電容器的基礎上制成的，用來測量電勢差。把它的金屬球接一導體，金屬外殼接另一導體，從指針的偏角可測出兩導體間的電勢差，指針偏角越大，指針與外殼間電勢差越大。 將平行板電容器的一板固定于鐵架臺上，且與一外殼接地的靜電計的金屬球連接，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，改變兩極板的正對面積S。 現(xiàn)象：S增大時，靜電計指針偏角變??；S減小時，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。 精確實驗表明：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，靜電計指針偏角變大；板間距d減小時，靜電計指針偏角減小。 分析：給電容器充電后斷開電源，電源不再繼續(xù)對電容器充電，同時也沒有導線將兩板相連，電容器也不會放電，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。 精確實驗表明：C和d成反比。 （3）保持Q、S、d都不變，在兩板間插入電介質 現(xiàn)象：兩極板位置不變，把電介質板插入，可觀察到電介質板進入過程中，靜電計指針偏角變小。 分析：電介質一般指絕緣物質，無自由電荷，電荷可在平衡位置附近做微小振動。當絕緣物質處于外加電場中時，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)負電荷，在靠近負極板表面上出現(xiàn)正電荷。這些電荷不是自由電荷，而是被束縛在電介質上，不能自由移動。這些束縛電荷使板間電場削弱，兩板間電勢差U降低，從而使靜電計指針偏角減小。也可以用能的觀點加以分析：電介質板插入過程中，由于束縛電荷與極板上電荷相互吸引力做功，電勢能減少，故電勢差降低。 根據(jù)C＝，Q不變。板間插入電介質→U↓，則C增大。 板間充滿某種介質時，C會變?yōu)榘彘g為真空時的若干倍。 總結：一般來說，電容器的電容是由兩個導體的大小和形狀，兩個導體的相對位置及極板間的電介質決定的。 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，電容C與極板的正對面積S、極板距離d的關系為 式中k為靜電力常量。 當兩極板間充滿同一種介質時，電容變大為真空的εr倍，即 （決定式） εr是一個常數(shù)，與電介質的性質有關，稱為電介質的相對介電常數(shù)。空氣的相對介電常數(shù)與1十分接近，所以在一般性研究中，空氣對電容的影響可以忽略。 參見課本中給出的《幾種常用電介質的相對介電常數(shù)》表。 四、常用電容器 常用的電容器，從構造上看，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)使用的介質不同又有不同的名稱。常用的有紙質電容、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，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。用陶瓷做電介質的固定電容器也很多。 電解電容器是用鋁箔做一個極板，用鋁箔上很薄的一層氧化膜做電介質，用浸過電解液的紙做另一個極板（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。電解電容器兩個引線一長一短，短者為負，使用時注意區(qū)分，電解電容器的正負極是固定的，使用時不能接錯。 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，可以轉動的一組鋁片叫動片。轉動動片，使兩組鋁片的正對面積發(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，讓學生注意各種電容器的表示符號) 3．電容器的兩個重要參數(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，超過這個限度，電介質將被擊穿，電容器損壞，這個極限電壓稱為擊穿電壓。電容器外殼上標的是工作電壓，或稱額定電壓，這個數(shù)值比擊穿電壓低。 電容值及額定電壓值是電容器的兩個重要參量。使用前，應看清它的這兩個參量才能正確使用。其他電器元件也有它的參量，學生應養(yǎng)成使用前先了解它們的參量的習慣。 【做一做】 ［小結］ 通過本節(jié)學習，主要學了以下幾點： 1．電容器、電容的概念，電容的定義式C＝。知道電容器充電時，電容器與電源相連，電源能量→電場能；電容器放電時，電容器與導線相連，電場能→其他形式能。知道了充電后的電容器仍與電源相連時，兩板間的電勢差不變；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”。