第二屆東芝杯教案 華中師范大學(xué)物理學(xué)院李程遠(yuǎn)教案.doc

電容器的電容教案華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李程遠(yuǎn)教材分析選自人教版全日制普通高級中學(xué)教科書（必修加選修）物理第二冊第十三章電場第八節(jié)電容器的電容。電容器的電容出現(xiàn)在電學(xué)第一章的最后一節(jié)，一方面，這是學(xué)生掌握電學(xué)最基本知識之后的第一次分析電學(xué)元件，本節(jié)授課中，需要學(xué)生知道電勢差的概念，能在分析電勢差的基礎(chǔ)上弄清楚電容器儲電的基本原理，另一方面，此課的知識在第十七章交變電流和第十八章電磁場和電磁波中占有極其重要的地位，可以說，沒有本節(jié)的專門學(xué)習(xí)，交變電流的學(xué)習(xí)將不完整，而電磁振蕩的相關(guān)學(xué)習(xí)則完全無法展開。由此可見，電容器的電容一節(jié)的學(xué)習(xí)有著重要的承前啟后的作用，只有學(xué)生掌握了本節(jié)課的核心知識，才有可能將整個高中階段電磁學(xué)的學(xué)習(xí)推向一個新的高度。設(shè)計思路電容器在日常電器中隨處存在，但又不為人們所熟悉，這主要是因為其主要結(jié)構(gòu)往往被密封。因此，要讓學(xué)生理解和掌握它的結(jié)構(gòu)，就需要將內(nèi)部結(jié)構(gòu)直觀地展示給學(xué)生。將拆開的電容器中具有典型結(jié)構(gòu)的部分展示給學(xué)生，同時引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)各種電容器的共同內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并設(shè)想這樣的結(jié)構(gòu)是否正是實(shí)現(xiàn)電容器儲電的原因，從而加以實(shí)驗證明。同時，這種觀察、設(shè)問、實(shí)驗驗證的過程正是從生活中探究真理的科學(xué)方法。而進(jìn)一步對電容器的充放電探究則蘊(yùn)含著“知其然知其所以然”的精神，因此，嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致地分析整個過程，不僅對學(xué)生學(xué)習(xí)新的知識將有提高，還將進(jìn)一步鞏固學(xué)生的已學(xué)知識。在引入電容這一新的概念的教學(xué)上，學(xué)生很容易先入為主的認(rèn)為儲電量大的電容器儲電本領(lǐng)也就大，此時就需要好的類比方式帶領(lǐng)學(xué)生走出誤區(qū)。利用列表的方式，將水容器的底面積和電容器的電容作類比，逐個進(jìn)行比較，才能條分縷析地為學(xué)生解釋清楚電容器電容的比值定義。同時，要趁熱打鐵繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生回憶曾掌握的比值定義的物理量，加強(qiáng)學(xué)生對物理學(xué)比值定義法的理解。平行板電容器的演示實(shí)驗牽涉到多個變量之間的關(guān)系，包含著重要的實(shí)驗方法控制變量法。因此，嚴(yán)格控制每一個變量，尋找剩余變量間相關(guān)關(guān)系是實(shí)驗重點(diǎn)，同時也是教師需要細(xì)致講解的部分。教學(xué)目標(biāo)一、 知識目標(biāo)1、 知道電容器的基本結(jié)構(gòu)和幾種常見電容器；2、 知道電場能的概念，能分析電容器充放電時能量的變化；3、 理解電容的定義式和電容的單位，并能進(jìn)行有關(guān)的計算；4、 知道平行板電容器電容的相關(guān)因素，了解其關(guān)系式；二、 能力目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生在日常生活中觀察分析事物、探究原理的能力；三、 情感目標(biāo) 培養(yǎng)學(xué)生從生活中觀察科學(xué)的主動探索精神，從實(shí)驗中驗證科學(xué)的實(shí)事求是的態(tài)度；教學(xué)重點(diǎn)1、 電容器與電容的概念建立；2、 平行板電容器的電容；教學(xué)難點(diǎn)1、 電容器作為儲電容器的抽象性理解；2、 平行板電容器的電容的相關(guān)因素的實(shí)驗探究；教學(xué)方法類比教學(xué)法、實(shí)驗探究法。教學(xué)用具已拆卸電容器及原件、自制電容器示教板、帶插頭的電容器（可直接用220V充電）、放電針、多媒體設(shè)備、靜電計、手搖感應(yīng)起電機(jī)、平行板電容器、鐵架臺、電介質(zhì)板。教學(xué)過程一、電容器概念的引入和電容器的基本結(jié)構(gòu)探究7分鐘生活中有各式各樣的水容器（展示圖片），他們形狀大小各異，但都可以儲存水。今天我們來學(xué)習(xí)一種新的容器，叫做電容器，顧名思義，就是儲存電荷的容器。這種叫做電容器的東西在日常家用電器中是很常見的（給學(xué)生展示實(shí)物電容器：各種規(guī)格結(jié)構(gòu)大小的均有）【引導(dǎo)思考】：電容器的結(jié)構(gòu)這些都是生活中的電容器，他們看起來都很不一樣，它們會不會有共同的基本結(jié)構(gòu)呢？活動：展示部分規(guī)格較大的已拆卸電容器給學(xué)生觀察；同時用多媒體投放出其它電容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，抽象出基本結(jié)構(gòu)的符號；演示：將拆好的電容器圖片用PPT展示，將電容器的基本結(jié)構(gòu)抽象出來；電容器的基本結(jié)構(gòu)是：兩導(dǎo)體極板和其中的絕緣介質(zhì)；設(shè)問：這是不是就可以說明正是這種結(jié)構(gòu)使得電容器可以儲存電呢？（自我否定，引出實(shí)驗環(huán)節(jié)）要肯定任何一個猜想，我們要用實(shí)驗來證明。演示：利用插座式電容器放電現(xiàn)象驗證電容器的二極板結(jié)構(gòu)是否真能儲存電荷；演示：將紙介電容器和相關(guān)組件自制成簡易示教板，探究電容器的二極板結(jié)構(gòu)是否真能儲存電；說明：實(shí)驗前必須確保電容器沒有事先帶電?！究偨Y(jié)實(shí)驗】【得出結(jié)論】：無論從觀察現(xiàn)象還是實(shí)驗結(jié)果，都證明了我們關(guān)于電容器儲電結(jié)構(gòu)的猜想，那么，這種結(jié)構(gòu)是怎么儲存電荷的呢？二、電容器儲電的原理和充放電能量轉(zhuǎn)化8分鐘要解決這個問題就要知道電容器的充放電原理，我們將剛才的實(shí)驗回路抽象出來具體分析?！狙堇[分析】演示：結(jié)合自制的簡易示教板，利用PPT演示實(shí)驗的充放電過程1、S接a時，電流表指針發(fā)生短暫偏轉(zhuǎn)，同時電容器極板分別出現(xiàn)正負(fù)電荷符號，并同時在極板間的電介質(zhì)空間顯示出抽象的電場線，最終建立平衡；（結(jié)合實(shí)驗分析）此時的過程正是剛才我們看到的那樣，原本不帶電的電容器在和電源作用后成功的儲存了電荷。電容器從不帶電到最終儲存電荷的過程叫做電容器的充電；2、S接b時，電流表指針逆向偏轉(zhuǎn)，同時電容器兩極板的正負(fù)電荷符號迅速消失，極板間電介質(zhì)的電場線也隨之消失，最終恢復(fù)成原來不帶電的情況。（結(jié)合實(shí)驗分析）一個充好電的電容器，在用通路將兩極板連接起來時，電容器兩極板的電荷將形成短暫電流以相互中和，最終不再帶電，這個過程我們成為電容器的放電；【分析充放電成因】切換到相應(yīng)圖片1現(xiàn)在假設(shè)電容有左右兩極板板，左邊極板與正極相連，右邊極板與負(fù)極相連，此時，兩極板間就要形成電勢差，而且和電源兩極電勢差相等，所以上極板帶正電，下極板帶負(fù)電，這樣兩極間才能形成電勢差。此時，電子就要移動，所以左邊極板的電子沿導(dǎo)線，經(jīng)電源正極-負(fù)極移動到右邊極板，使得兩極板帶上異種電荷。隨著電子的移動，兩極板所帶電荷越來越多，電壓也就越來越大，直到和電源電勢差相等，就充滿電了。 2充好電的電容器用導(dǎo)線或其它通路連接起來，由于兩極板帶電極性不同，右邊極板的電子會迅速沿著導(dǎo)線運(yùn)動到左邊極板與之中和，這就形成了放電時的定向電流，直至兩極板間電荷完全互相中和，此時放電就完畢了，電容器也成為了不帶電的兩極板結(jié)構(gòu)。由于放電后兩極板不再帶電，說明原帶電的兩極板電荷異性等量，我們把一個極板所帶電荷量的絕對值叫電容器的所帶電荷量Q。 充 電放 電引出新問題：既然有電流做功，就有能量轉(zhuǎn)化，電容器將電流做功轉(zhuǎn)化的能量儲存在什么地方呢？水總是儲存在水容器的空間中，電容器也沒有把能量儲存在極板上，而是儲存在兩極板間電介質(zhì)空間的電場里。這種電場具有的能量，稱為電場能。（進(jìn)一步分析充放電時能量的轉(zhuǎn)化）充電：電源能量電場能；放電：電場能其它形式能；（它們都是通過電流做功實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的）（作出階段小結(jié)）這樣，我們才算明白了電容器儲存電的基本原理；四、 電容概念的引入6分鐘承上引出新話題：知道了它儲電原理是不是夠了呢？（否定）我們還要知道怎樣定義它們儲存電的本領(lǐng)，接下來我們要繼續(xù)學(xué)習(xí)電容器的電容描述電容器儲電本領(lǐng)的物理量?！灸M】水容器的大小形狀一旦確定，它的儲水本領(lǐng)就完全確定水容器的儲水本領(lǐng)是由自身結(jié)構(gòu)確定的。同樣，電容器的儲電本領(lǐng)本質(zhì)上來說也是又它的結(jié)構(gòu)確定的。（解釋電容器大小形狀各不相同的原因，正是為了制造不同容量的電容器）如何嚴(yán)格定義一個電容器的儲電本領(lǐng)？【表格類比】水容器隨著儲水量發(fā)生變化，他的儲水深度也相應(yīng)發(fā)生變化電容器隨著帶電量的增加，兩極板間電勢差也相應(yīng)發(fā)生變化；儲存同樣多水的兩個水容器，儲水本領(lǐng)未必相同；儲存同樣電量的兩個電容器，儲電本領(lǐng)未必相同；儲存同樣深水的兩個水容器，儲水本領(lǐng)也未必相同；兩極板電勢差相同的兩電容器，儲電本領(lǐng)也未必相同；底面積大的水容器往往可以儲存更多的水，底面積是通過儲水量和深度的比值定義的；是不是可以類似底面積一樣，通過二者比值定義一個新的物理量？定義：電容器所帶的電荷量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。(強(qiáng)調(diào)：比值定義法是物理學(xué)中非常常見的)公式： 單位：法拉(F)；微法(F)；皮法(pF) 1F=1C/V1F=106F=1012Pf五、 平行板電容器的電容12分鐘介紹靜電計：靜電計是在驗電器的基礎(chǔ)上制成的，用來測量電勢差使用時把它的金屬球跟一個導(dǎo)體相連(或者同時接地)，從指標(biāo)的偏轉(zhuǎn)角度就可以測出兩個導(dǎo)體問的電勢差?！緦?shí)驗探究】：探究影響平行板電容器電容的因素；把一已充電的平行板電容器和一靜電計相連1、保持極板上的電荷量Q不變，改變兩極板的正對面積S，S越大，靜電計指示的電勢差越小。 2、保持極板上的電荷量Q不變，改變兩極板間的距離d,d越小,靜電計指示的電勢差越小。 3、保持Q、S、d都不變，在兩極板中間插入電介質(zhì)，靜電計指示的電勢差減小。理論和實(shí)驗表明： 平行板電容器的電容C跟介電常量成正比，跟正對面積S成正比，跟極板間的距離d成反比，即【討論】實(shí)驗中重要的控制變量法(1) 充電后保持極板與電源相連接的含義是控制U不變。由(2)充電后切斷與電源的連接的含義是控制電容器的電荷量Q不變。又由不變控制變量法是實(shí)驗中常用的方法，通過控制變量法，可以使我們方便的找到某個物理量和其它物理量的相關(guān)的關(guān)系。六、 常用電容器的認(rèn)知3分鐘【討論和互動】閱讀課本中常用電容器，了解其結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，以及對應(yīng)的專用符號；再次展示引課時給學(xué)生看過的電容器的圖片，引導(dǎo)學(xué)生辨認(rèn)這些電容器各屬于哪一類，設(shè)計符號和圖片的聯(lián)機(jī)游戲。介紹電容器組件的相關(guān)概念擊穿電壓：加在電容器兩極板上的最大限度電壓，電容工作時的電壓應(yīng)低于擊穿電壓；額定電壓：電容器長期工作時所能承受的電壓，比擊穿電壓低；（電容器上標(biāo)的是額定電壓）七、課堂總結(jié)4分鐘本課中蘊(yùn)含的科學(xué)方法的總結(jié)：本節(jié)課，我們從探究電容器的結(jié)構(gòu)出發(fā)，發(fā)現(xiàn)不論哪種電容器，都有某個相同的結(jié)構(gòu)。因此，我們猜想這種結(jié)構(gòu)是否包含著電容器儲存電的原因，接著，我們進(jìn)一步用實(shí)驗驗證了我們的想法，而且還更進(jìn)一步從理論上分析了我們猜想的正確性。這種從生活中觀察、猜想、實(shí)驗驗證，進(jìn)而理論分析的方法正是科學(xué)的一種重要探究方法，同學(xué)們要好好體會！而通過與水容器的類比，我們更進(jìn)一步學(xué)會了怎么定義電容器的電容，這告訴我們，當(dāng)我們遇到某種不熟悉的事物時，我們可以利用我們常見的熟悉事物進(jìn)行類比，從他們之間的相似點(diǎn)找到新的突破！而平行板電容器的實(shí)驗方法告訴我們，當(dāng)我們研究某一個事物包含多個不同因素的影響時，我們往往需要使用控制其它變量而只研究某兩個變量之間的關(guān)系，這樣的控制變量法將使得我們的實(shí)驗探究變得簡便而有條理，同學(xué)們一定要掌握這種方法。八、作業(yè)鞏固課后完成1根據(jù)電容器的電容的定義式C=Q/U可知( D ) A電容器帶電的