鲁科版(2019)高中物理必修第三册2.5科学探究：电容器-教案

科学探究：电容器

【教学重难点】

1．认识常见电容器，理解电容的概念及定义方法。

2．体会电容器在实际生活中的广泛应用，培养探究新事物的兴趣。

【教学过程】

一、导入新课

据记载，1752年，富兰克林曾利用莱顿瓶（教师课件展示图片）进行了著名的费城实验，即用风筝将“天电”引下来，收集到莱顿瓶中。为什么莱顿瓶能把电荷储存起来？本节将学习储存电荷的常用电学元件电容器。

二、新知学习

知识点一观察电容器的充、放电现象

[观图助学]

平行板电容器的充电与放电示意图

1．电容器：能储存电荷的电学元件称为电容器。两块彼此绝缘的平行金属板可组成最简单的电容器，即平行板电容器。

2．电容器的充电、放电

（1）充电：把电容器的两极板分别与电池组的两极相连，两极板上分别带上等量的异号电荷的过程。

（2）放电：充电后的电容器两极板通过电流计接通，电路中会形成瞬时电流而发生放电，使两极板的电荷中和而不再带电。

[思考判断]

（1）两个靠近的导体一定能构成一个电容器。（×）

（2）电容器所带的电荷量是指每个极板所带电荷量的代数和。（×）

（3）电容器充电过程是将其他形式的能转化成电容器的电能并储存起来；电容器放电过程是将电容器储存的电能转化为其他形式的能。（√）

知识点二电容器的电容

1．电容

（1）定义：电容器的电荷量Q与两极板间的电压之比。

（2）公式：C＝Q U。

（3）单位：在国际单位制中，电容的单位是法拉，简称法，符号F。

1 F＝1 C/V，常用单位还有微法和皮法。换算关系1 F＝106 μF＝101

2 pF。

（4）物理意义：表示电容器容纳电荷本领的物理量。

2．平行板电容器

（1）结构：由两块彼此绝缘、互相靠近的平行金属板组成，是最简单的，也是最基本的电容器。

（2）决定因素：平行板电容器的电容与两平行极板正对面积S成正比，与电介质的相对介电常数εr成正比，与极板间距离d成反比。

（3）表达式：C＝

εr S

4πkd。式中k为静电力常量。

[思考判断]

（1）电容器的电容与电容器所带电荷量成反比。（×）

（2）公式C＝

εr S

4πkd可用来计算任何电容器的电容。（×）

（3）将电介质插入平行板电容器时，电容器的电容将变小。（×）

（4）无论电容器的电压如何变化（小于击穿电压且不为零）, 它所带的电荷量与电压的比值都恒定不变。（√）

（5）电容器的电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量，其大小与加在两板间的电压无关。（√）

（6）若电容器不带电，则电容C为零。（×）

知识点三常见电容器及其应用

1．电容器的分类

（1）按照导体极板间所用的电介质分类：空气电容器、云母电容器、纸质电容器、陶瓷电容器、涤纶电容器、电解电容器等。

（2）按电容器的电容是否可变分类：可变电容器和固定电容器等。

2．额定电压和击穿电压

（1）额定电压：电容器安全工作时电压的上限。它比击穿电压要低。

（2）击穿电压：是电容器的极限电压，超过这个电压，电容器内的电介质将被击穿，电容器将被损坏。

3．应用

利用电容器可以测量水位，驻极体话筒也是利用电容器的原理制造的。

三、核心探究

核心要点1 观察电容器的充、放电现象

[要点归纳]

1．电容器充、放电特点

（1）充电过程是将电能储存在电容器中的过程。

充电过程特点（如图乙所示）

①充电电流方向为从电源的正极流出的电流的方向。

②电容器所带电荷量增加。

③电容器两极板间电压升高。

④电容器中电场强度增大。

⑤充电过程中电容器从电源获取的能量为电能。

（2）放电过程是将储存的电场能转化为其他形式能量的过程。

放电过程特点（如图丁所示）

①放电电流方向是从正极板流出的电流的方向。

②电容器两极板上电荷量减少。

③电容器两极板间电压降低。

④电容器中电场强度减小。

⑤电容器的电场能转化成其他形式的能量。

2．实验步骤

（1）调节直流可调电源，输出为6 V，并用多用电表校准。

（2）断开开关，正确连接实物图，电路图如图。

（3）把单刀双掷开关S和触点1连通，观察电容器的充电现象，并将现象记录在表格中。（4）把单刀双掷开关S和触点2连通，观察电容器的放电现象，并将现象记录在表格中。（5）断开开关。

实验项目实验现象

电容器充电灯泡亮度由明到暗最后熄灭

电流表1读数由大到小最后为零

电压表读数由小到大最后等于电源电压

电容器放电灯泡亮度由明到暗最后熄灭电流表2读数由大到小最后为零电压表读数由大到小最后为零

[试题案例]

[例1]某同学利用图（a）所示电路测量电容器充电时两极板间的电压随时间的变化。实验

中使用的器材为：干电池E（两端电压恒定）、开关S1和S2，电容器C（约100 μF）、电阻R1（约200 kΩ）、电阻R2（1 kΩ ）、电压表（量程6 V）、秒表、导线若干。

图（a）

（1）按图（a）所示的电路原理图将图（b）中实物图连线。

（2）先闭合开关S2，再断开开关S2，闭合开关S1，同时按下秒表开始计时。若某时刻电压表的示数如图（c）所示，电压表的读数为________V（保留2位小数）。

（3）该同学每隔10 s记录一次电压表的读数U，记录的数据如下表所示。在给出的坐标纸上描绘出U－t图线。已知只有一个数据点误差较大，该数据点对应的表中的时间是________s。

时间t/s10.020.030.040.050.060.0

电压U/V 2.14 3.45 4.23 4.51 5.00 5.18

（4）电路中C、R2和S2构成的回路的作用是_________________________。

答案（1）

（2）3.60

（3）40.0