高中物理新課標(biāo)版人教版選修3-1優(yōu)秀教案：電容器的電容

1、8電容器的電容教學(xué)分析 電容器是一種常見的電學(xué)元件，在電路中應(yīng)用廣泛，學(xué)生雖然可能見過電容器實(shí)物，但不一定認(rèn)識(shí)，更沒有深入考慮過其構(gòu)造和工作原理。電容概念的建立方法和定義方式，學(xué)生以往學(xué)習(xí)中有過相似的經(jīng)驗(yàn)，通過類比能夠較容易接受。影響平行板電容器電容大小的因素是全新的內(nèi)容，在應(yīng)用時(shí)容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。利用演示實(shí)驗(yàn)可以幫助突破難點(diǎn)。在進(jìn)行課程教學(xué)時(shí)我們需要注意以下幾點(diǎn)說明：1考慮到用比喻可以幫助學(xué)生理解電容的概念，教材在講述電容的概念時(shí)，借助水容器作比喻，說明電容是表示電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量。有條件的學(xué)校可以利用傳感器來幫學(xué)生理解電容器所帶電荷量和電壓之間的關(guān)系。2應(yīng)該使學(xué)生明確地知道，電容器所帶

2、的電荷量Q是指每個(gè)極板所帶電荷量的絕對(duì)值。3電場能的概念，只要求學(xué)生知道，不要求進(jìn)一步說明。4應(yīng)該使學(xué)生明確地知道：電容器充電后，如果保持電容器的兩極板與電源兩極相連接，則電容器兩極板的電壓保持不變；如果切斷與電源的連接，則電容器的電荷量保持不變。5本節(jié)的“思考與討論”，意在使學(xué)生把這節(jié)的知識(shí)與前面學(xué)過的知識(shí)聯(lián)系起來，綜合加以運(yùn)用，提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。最好在教師的引導(dǎo)下，讓學(xué)生獨(dú)立思考，把問題弄清楚。這比都由教師講給學(xué)生，效果會(huì)更好。教學(xué)目標(biāo)1知道電容器的概念，認(rèn)識(shí)常見的電容器，通過實(shí)驗(yàn)感知電容器的充、放電現(xiàn)象；2理解電容的概念及定義方法，掌握電容的定義公式、單位，并學(xué)會(huì)應(yīng)用定義式進(jìn)行

3、簡單的計(jì)算；3通過實(shí)驗(yàn)了解影響平行板電容器電容大小的因素，了解平行板電容器的電容公式，知道改變平行板電容器電容大小的方法。教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)1電容的概念是本節(jié)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，關(guān)鍵讓學(xué)生理解電容是用比值定義的物理量，電容這個(gè)物理量的物理意義。2影響平行板電容器電容大小的因素是本節(jié)的另一個(gè)重點(diǎn)，做好演示實(shí)驗(yàn)是突破該難點(diǎn)的好辦法。3本節(jié)的一個(gè)次重點(diǎn)是利用前面所學(xué)的電學(xué)知識(shí)解釋電容器的充放電問題。導(dǎo)入新課事件1教學(xué)任務(wù)：引入新課方案1師生活動(dòng)：教師上課前自己制作一個(gè)電容器(在一個(gè)有把的大塑料杯內(nèi)外壁分別貼上鋁箔，內(nèi)外鋁箔彼此絕緣)。上課前利用感應(yīng)起電機(jī)給這個(gè)“特別的容器”充電(不要讓學(xué)生看到充電過程)，上課時(shí)

4、讓一個(gè)學(xué)生觸摸這個(gè)“特別的容器”的內(nèi)壁或者外壁，學(xué)生會(huì)被電一下。讓學(xué)生解釋這一現(xiàn)象。學(xué)生最容易想到的解釋是“電容器帶電了”。但學(xué)生很容易忽略的一個(gè)問題就是：電容器本身不帶電，是因?yàn)閷W(xué)生自身摩擦起電帶上了靜電，學(xué)生帶電后再去觸摸金屬也會(huì)出現(xiàn)被電的現(xiàn)象。在這里要倡導(dǎo)科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)精神。啟發(fā)學(xué)生：如何知道是不是電容器帶電了呢？可行方案：1用一個(gè)原來不帶電的驗(yàn)電器接觸電容器的一個(gè)極板，看鋁箔是否張開。2用一根導(dǎo)線一端和電容器的一個(gè)極板相連，導(dǎo)線的另一端與電容器的另一極板接觸，會(huì)看到電火花。引出新課：這個(gè)可以容納電荷的特別的容器，我們把它稱作電容器。教師把自做的電容器展示給學(xué)生看，讓學(xué)生總結(jié)一下電容器的結(jié)構(gòu)

5、和作用。結(jié)構(gòu)：任何兩個(gè)彼此絕緣又相距很近的導(dǎo)體就構(gòu)成電容器。順次介紹：極板、電介質(zhì)、平行板電容器。作用：容納電荷，儲(chǔ)存電能。讓學(xué)生找出現(xiàn)在教室中有的電容器。學(xué)生可能答案：演示用的自制電容器、兩個(gè)人彼此絕緣、投影儀中有電容器、電腦中有電容器、兩個(gè)日光燈的金屬外罩彼此絕緣構(gòu)成電容器、兩根導(dǎo)線等等。向?qū)W生介紹感應(yīng)起電機(jī)的萊頓瓶實(shí)際也是電容器，拆開一個(gè)感應(yīng)起電機(jī)的萊頓瓶，讓學(xué)生清楚地看到塑料桶內(nèi)外表面都有金屬箔。方案2：師生活動(dòng)：教師打開相機(jī)閃光燈面向?qū)W生拍照，相機(jī)的的電子閃光燈發(fā)出強(qiáng)烈的閃光。引出：閃光燈閃光要借助一種非常重要的電學(xué)元件“電容器”，這節(jié)課我們一起來學(xué)習(xí)電容器?；脽羝故鞠鄼C(jī)閃光燈實(shí)物

6、電路圖(有條件的話可以在實(shí)物投影展示相機(jī)的電子閃光燈電路圖)閃光燈的基本工作原理是怎樣的呢？首先演示圖甲所示的實(shí)驗(yàn)，過程同事件3讓學(xué)生說明相機(jī)閃光燈的基本工作原理。事件2教學(xué)任務(wù)：介紹與電容有關(guān)的物理學(xué)史師生活動(dòng)：1富蘭克林研究閃電時(shí)，他把閃電搜集到一個(gè)瓶子中，這個(gè)瓶子實(shí)際上就是電容器，它是由玻璃瓶內(nèi)外貼有錫箔制成的，它是由荷蘭萊頓大學(xué)的一名教授發(fā)明的，所以最早叫萊頓瓶。2萊頓瓶萊頓瓶是由德國物理學(xué)家克萊斯特；荷蘭萊頓大學(xué)的物理學(xué)家穆欣布羅克，于1745年、1746年幾乎同時(shí)發(fā)明的。有一次，克萊斯特用傳導(dǎo)的方法給裝有釘子的玻璃瓶充電。當(dāng)他的一只手拿著玻璃瓶，另一只手接觸鐵釘時(shí)，他感到肩膀和手臂

7、受到了一下猛擊。穆欣布羅克在做電學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，看到好不容易使帶電體帶上的電很快在空氣中消失，便想找出一種保存電的辦法。有一次，他用絲線吊起一支槍管來接收從摩擦起電機(jī)玻璃球傳來的電。他在槍管的一端吊一根黃銅線，銅線的下端放在一只盛有水的玻璃瓶中。穆欣布羅克讓助手一只手拿著玻璃瓶，同時(shí)自己使勁轉(zhuǎn)動(dòng)起電機(jī)。助手不慎將另一只手碰到槍管上，感到一陣劇烈的電擊，大喊起來。穆欣布羅克與助手互換位置，自己一手拿瓶，另一只手去碰槍管，也遭到電擊。布萊斯特和穆欣布羅克的實(shí)驗(yàn)表明，把帶電體放在玻璃瓶中可以將電保存起來。后來人們把這個(gè)蓄電的瓶子叫做萊頓瓶。但是當(dāng)時(shí)克萊斯特并不清楚裝有釘子的玻璃瓶為什么能夠保存電荷；穆欣布

8、羅克也不知道電荷是保存在瓶子上還是保存在瓶內(nèi)的水中。萊頓瓶幾經(jīng)改進(jìn)后，瓶內(nèi)外表面都貼上金屬箔，瓶上插上一根金屬桿，桿上端裝有一個(gè)金屬球，下端用金屬鏈子與瓶內(nèi)表面接觸。萊頓瓶放電時(shí)產(chǎn)生的電火花可以點(diǎn)燃火藥、氫氣等。萊頓瓶的出現(xiàn)為進(jìn)一步研究電現(xiàn)象提供了有力的手段。其實(shí)，萊頓瓶就是一個(gè)同軸柱形電容器。按照克萊斯特和穆欣布羅克的實(shí)驗(yàn)，握瓶的手是圓柱形電容器的正極板，水和鐵釘(或銅線)是負(fù)極板，電介質(zhì)是玻璃。瓶中盛水并不能夠改變其電容的大小，只是起到讓瓶蓋上插的金屬桿與瓶內(nèi)表面金屬箔連接的作用。改進(jìn)后的萊頓瓶內(nèi)外表面都貼有金屬箔，兩金屬箔分別構(gòu)成兩個(gè)極板，電介質(zhì)是玻璃。事件3教學(xué)任務(wù)：電容器的充放電師生

9、活動(dòng)：1實(shí)驗(yàn)演示：如圖甲甲單刀雙擲開關(guān)先接通1，再接通2，讓學(xué)生注意觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。相關(guān)問題：(1)你看到了什么現(xiàn)象？請(qǐng)解釋這一現(xiàn)象。(2)上極板帶什么電，下極板帶什么電？(3)電容器容納的電荷為何不會(huì)很快消失？(4)電鍵1接通后，電源會(huì)不會(huì)永不停止地給電容器充電？(5)何時(shí)充電完畢？為什么兩極板間電壓等于電源電壓后電容器停止充電？(6)是否可以不斷增加充電電壓，使電容器兩端的電壓不斷增加？當(dāng)電壓超過某個(gè)限度時(shí)電介質(zhì)被擊穿，電容器損壞，這個(gè)極限電壓稱為擊穿電壓。電容器外殼上標(biāo)的是工作電壓或額定電壓。實(shí)驗(yàn)演示：感應(yīng)起電機(jī)兩個(gè)小球間隔一個(gè)較小的距離，隨著電荷量的不斷增大，空氣被擊穿放電。2實(shí)驗(yàn)演示：

10、找一款閃光燈獨(dú)立于機(jī)體的照相機(jī)，單純利用閃光燈向?qū)W生演示閃光燈的充放電。(可配備簡單的示意圖如圖乙)乙小結(jié)：(1)兩極板帶有等量異種電荷(以后所說電容器所帶的電荷量是指一個(gè)極板所帶電荷量的絕對(duì)值)。(2)兩極板間存在電壓。事件4教學(xué)任務(wù)：電容概念的形成師生活動(dòng)：研究電容器電荷量和兩極板間電壓的關(guān)系方案1：定性研究利用圖甲的電路，一個(gè)規(guī)格為(25 V,4 700 F)的電解電容器，學(xué)生電源電壓可變，改變電容器的充電電壓，讓學(xué)生觀察電容器放電時(shí)小燈泡的亮度情況。結(jié)論：電容器的充電電壓越大，所帶的電荷量越多。方案2：定量研究1相關(guān)問題：(1)It曲線中電流和時(shí)間軸所圍面積的物理意義是什么？It曲線中

11、電流和時(shí)間軸所圍面積表示通過電流傳感器的電荷量，這個(gè)面積可以通過軟件測量出來，從而算出通過電流傳感器的電荷量。(2)電容器充電后兩極板間的電壓如何測量？在什么時(shí)候進(jìn)行測量？實(shí)驗(yàn)器材：兩個(gè)規(guī)格分別為(25 V,4 700 F)和(25 V,10 000 F)的電解電容器，學(xué)生電源，DIS傳感器和相應(yīng)軟件，小燈泡，導(dǎo)線若干，電鍵。2實(shí)驗(yàn)步驟：電路圖如圖丙所示 丙(1)測同一電容器在不同的充電電壓下所帶的電荷量接電鍵1讓電容器充電，充電完畢電容器兩端電壓等于電源電壓。此電壓可以通過電壓傳感器測得。接電鍵2讓電容器放電測放電電流隨時(shí)間變化關(guān)系圖象，通過軟件操作求出電容器所帶電荷量填入表格(如圖丁) 丁

12、(2)數(shù)據(jù)處理建立電荷量和電壓關(guān)系直角坐標(biāo)系，通過軟件生成趨勢線(如圖戊)。此處數(shù)據(jù)處理也可用excel進(jìn)行處理。 戊(3)換用不同的電容器重復(fù)實(shí)驗(yàn)(4)分析論證3實(shí)驗(yàn)結(jié)論：(1)對(duì)于同一電容器，電壓增大，極板所帶電荷量增多，但是電荷量和電壓的比值不變。(2)不同電容器Q/U比值不同，比值Q/U由電容器本身性質(zhì)決定。(3)對(duì)于不同的電容器在電壓相同的情況下，Q/U比值大的電容器容納的電荷多。引入電容器電容的概念方案3：類比講解將電容器與圓柱形水容器進(jìn)行類比。電荷量Q類比水的體積V，電勢差U類比水的深度H，對(duì)于同一電容器，U越大，Q越大：對(duì)于同一圓柱形水容器，H越大，V越大。對(duì)于給定的圓柱形水容

13、器，V與H的比值為常量，這個(gè)常量是由水容器本身的性質(zhì)決定的。對(duì)于不同的圓柱形水容器，V/H比值越大的水容器，在H相同的情況下所容納的水的體積V越大，即此水容器容納水的本領(lǐng)大。對(duì)于同一給定的電容器Q與U的比值應(yīng)該也是常量，這個(gè)常量也是由電容器本身的性質(zhì)決定的。對(duì)于不同的電容器，Q/U比值越大的電容器，在U相同的情況下所容納的電荷量Q越多，即此電容器容納電荷的本領(lǐng)大。定義：比值Q/U是由電容器本身性質(zhì)決定的，可以反映電容器容納電荷的本領(lǐng)，把這個(gè)比值定義為電容。定義式：CQ/U單位：法拉。符號(hào)：F1 F1 C/V1 F106 F1012 pF讓學(xué)生從圖戊中讀出兩個(gè)電容器的電容。利用實(shí)物投影展示兩個(gè)電

14、容器的實(shí)際標(biāo)注。事件5教學(xué)任務(wù)：介紹平行板電容器師生活動(dòng)：提出問題：平行板電容器的電容與哪些因素有關(guān)？(一)實(shí)驗(yàn)探究猜想：實(shí)驗(yàn)探究1：器材：平行板電容器，靜電計(jì)，電介質(zhì)板給平行板電容器充電后，用靜電計(jì)來測量兩極板間的電勢差U。在保持電容器所帶電荷量Q不變的情況下：只改變兩極板間的距離d，可以看到d越大，U越大。由CQ/U知C越小。只改變兩極板的正對(duì)面積S，可以看到，S越小，U越大，則C越小。在極板間插入電介質(zhì)(介電常數(shù)為)，可以看到，增大，U減小，則C增大。說明：可以用專門演示用的平行板電容器來演示。實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)首先使兩個(gè)極板靠近，并與靜電計(jì)導(dǎo)桿相連再用感應(yīng)起電盤使電容極板帶上足夠多的電荷，此時(shí)靜

15、電計(jì)的指針轉(zhuǎn)動(dòng)開的角度非常小。然后迅速將另一極板拉開，使兩極板間的距離變大，可見靜電計(jì)指針張角明顯變大，說明兩極間的電勢差變大，由電容的定義公式可以推知電容器的電容變小。按同樣的程序，可以演示平行板電容器電容與極板相對(duì)面積和電介質(zhì)的關(guān)系。為防止兩極板靠近時(shí)相碰導(dǎo)電，可以在一個(gè)極板上貼一層塑料薄膜。為了減少可能漏電的因素，可以把一個(gè)極板直接裝在靜電計(jì)的導(dǎo)桿上，給該極板帶上足夠多的電荷，再用手拿住另一極板(手指與金屬板接觸)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖所示。實(shí)驗(yàn)探究2：器材：數(shù)字電容表，平行板電容器，有機(jī)玻璃板或者課本1保持距離一定，改變正對(duì)面積，觀察電容表讀數(shù)的變化。2保持正對(duì)面積一定，改變板間距，觀察電容表

16、讀數(shù)的變化。3保持距離和正對(duì)面積一定，在兩板之間放入有機(jī)玻璃板或者課本，觀察電容表讀數(shù)的變化。趣味實(shí)驗(yàn)：讓兩位同學(xué)分別手握電容表的兩個(gè)表筆，彼此間距拉大或者其中一人蹲下觀察電容表讀數(shù)變化。(二)理論研究假設(shè)電容器帶電后電荷量不變，而且一個(gè)正電荷發(fā)出一條電場線。(1)電容器兩極板面積S增大，則單位面積上的電荷變小，電場線要變疏，電場強(qiáng)度E變小，兩極板的電勢差UEd減小，由CQ/U可知，C將減小?？梢奀與兩極板正對(duì)面積有關(guān)。(2)若電容器兩極板面積S不變，則單位面積上的電荷不變，電場線疏密不變，電場強(qiáng)度E不變，而兩極板間的距離d增大，兩極板間電勢差UEd增大，由CQ/U可知，C將減小。可見C與兩極

17、板間的距離有關(guān)。(3)電容器的電容與電介質(zhì)的關(guān)系的理論研究因?yàn)樯婕皹O化現(xiàn)象所以在高中物理中無須涉及。事件6教學(xué)任務(wù)：電容器分類及應(yīng)用師生活動(dòng)：1利用實(shí)物投影展示各種電容器。特別需要介紹電解電容器及其符號(hào)和可變電容器及其符號(hào)。2幻燈片或者實(shí)物展示多種電子設(shè)備的主機(jī)板圖片。電腦主機(jī)板 液晶電視主機(jī)板 收音機(jī)主機(jī)板3收音機(jī)調(diào)頻實(shí)驗(yàn)焊接一個(gè)簡單線路的收音機(jī)，用平行板電容器替代調(diào)頻用的可變電容器，課前反復(fù)實(shí)驗(yàn)嘗試找出相關(guān)參數(shù)比較匹配的平行板電容器，使最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到通過調(diào)節(jié)平行板電容器的間距就可以收到電臺(tái)信號(hào)。4駐極體話筒駐極體話筒的振動(dòng)膜和金屬極板構(gòu)成了一個(gè)約幾十皮法的電容器。在外界聲波的作用下，電

18、容隨之改變。由于駐極體振動(dòng)膜上的電荷量不變，電容器兩端電壓隨聲波的變化而變化。這樣駐極體話筒就把聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。駐極體話筒具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、電聲性能好、價(jià)格低的特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)、電話、無線話筒、聲控設(shè)備等。5利用電容器可以測量水位。電容器的兩塊平行的金屬表面已進(jìn)行絕緣處理，當(dāng)水位升高時(shí)，平行板電容器的電容增大；當(dāng)水位降低時(shí)，電容減小。根據(jù)電容的變化就可以測出水位的變化。如圖。遷移1：傳感器是把非電學(xué)量(如高度、溫度、壓力等)的變化轉(zhuǎn)換成電學(xué)量變化的一種元件，它在自動(dòng)控制中有著廣泛的應(yīng)用。如圖是一種測定液面高度的電容式傳感器的示意圖。金屬棒與導(dǎo)電液體構(gòu)成一個(gè)電容器，將金屬棒和導(dǎo)電液體分別與直流電源的兩極相連接，從電容C和導(dǎo)電液與金屬棒間的電壓U的變化就能反映液面的升降情況，即電源接通后，電容C減小，反映h減小。電源接通后，電容C減小，反映h增大。電源接通再斷開后，電壓U減小，反映h減小。電源接通再斷開后，電壓U減小，反映h增大。以上判斷正確的是()A B C D答案：B遷移2：下圖1是某同學(xué)設(shè)計(jì)的電容式速度傳感器原理圖，其中上板為固定極板，下板為待測物體，在兩極板間電壓恒定的條件下，極板上所帶電荷量Q將隨待測物體的上下運(yùn)動(dòng)而變化，若Q隨時(shí)間t的變化關(guān)系為Q(a、b為大于零的常數(shù))，其圖象如圖2所示，那么圖3、圖4中反映極板間場強(qiáng)大小E和物體速率v隨t變化的