高中物理人教版 (2019)必修 第三册4 电容器的电容第2课时学案

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第三册4 电容器的电容第2课时学案，共7页。

1.实验原理
(1)电容器的充电过程
如图所示，当开关S接1时，电容器接通电源，在静电力的作用下自由电子从正极板经过电源向负极板移动，正极板因失去电子而带正电，负极板因获得电子而带负电。正、负极板带等量的正、负电荷。电荷在移动的过程中形成电流。在充电开始时电流比较大(填“大”或“小”)，以后随着极板上电荷的增多，电流逐渐减小(填“增大”或“减小”)，当电容器两极板间电压等于电源电压时电荷停止移动，电流I＝0。
(2)电容器的放电过程
如图所示，当开关S接2时，将电容器的两极板直接用导线连接起来，电容器正、负极板上电荷发生中和。在电子移动过程中，形成电流，放电开始电流较大(填“大”或“小”)，随着两极板上的电荷量逐渐减小，电路中的电流逐渐减小(填“增大”或“减小”)，两极板间的电压也逐渐减小到零。
2.实验器材
6 V的直流电源、单刀双掷开关、平行板电容器、电流表、电压表、小灯泡。
3.实验步骤
(1)按图连接好电路。
(2)把单刀双掷开关S打在上面，使触点1和触点2连通，观察电容器的充电现象，并将结果记录在表格中。
(3)将单刀双掷开关S打在下面，使触点3和触点2连通，观察电容器的放电现象，并将结果记录在表格中。
(4)记录好实验结果，关闭电源。
实验记录和分析：
4.注意事项
(1)电流表要选用小量程的灵敏电流计。
(2)要选择大容量的电容器。
(3)实验要在干燥的环境中进行。
(4)在做放电实验时，在电路中串联一个电阻，以免烧坏电流表。
核心要点 电容器充、放电现象的定性分析
[观察探究]
按如图所示电路连接好器材，使开关S先后接触a、b，观察电流表指针的偏转情况。
请思考以下几个问题：
(1)当S先后接a和接b时，会观察到电流表指针的偏转情况是怎样的呢？
(2)电容器的工作过程是怎样的？工作过程中能量是如何转化的？
(3)电容器的带电量Q与两极板间的电压U有什么关系？反映了电容器怎样的特性？怎样描述？
答案 (1)当S接a时，电流表指针发生偏转；当S接b时，电流表指针反向偏转。
(2)①充电过程和放电过程。
②充电过程中其他形式的能转化为电能，放电过程中电能转化为其他形式的能。
(3)电容器两极板间的电势差随电荷量的增加而增加，电荷量和电势差成正比，它们的比值是一个恒量，每一个电容器都有一个属于自己的eq \f(Q,U)常数，与所带电荷量的多少无关。这个比值反映了电容器容纳电荷的能力大小，因此可用eq \f(Q,U)描述电容器容纳电荷本领的大小即电容器的电容C＝eq \f(Q,U)。
[探究归纳]
电容器的工作基础
(1)充电：使电容器的极板上带上电荷的过程称为充电，充电后两极板带等量异种电荷，充电过程，带电荷量Q逐渐增大，板间电压U增大，板间电场强度E增大。
(2)放电：使充电后的电容器不带电荷的过程叫作放电，放电过程，带电荷量Q减小，板间电压U减小，板间电场强度E减小。
[试题案例]
[例1] 如图所示实验中，关于平行板电容器的充、放电，下列说法正确的是( )
A.开关接1时，平行板电容器充电，且上极板带正电
B.开关接1时，平行板电容器充电，且上极板带负电
C.开关接2时，平行板电容器充电，且上极板带正电
D.开关接2时，平行板电容器充电，且上极板带负电
解析 开关接1时，平行板电容器充电，上极板与电源正极相连而带正电，A正确，B错误；开关接2时，平行板电容器放电，放电结束后上、下极板均不带电，C、D错误。
答案 A
方法归纳 电容器的充电和放电
(1)充电：把电容器的两个极板与电源的正负极相连，使两个极板上带上等量异号电荷的过程。充电后，跟电源正极相连的极板带正电，跟电源负极相连的极板带负电。充电过程如图甲所示。
(2)放电：用导线把充电后的电容器的两个极板接通，两个极板上的电荷中和，电容器失去电荷的过程。放电后，电容器任一极板带电荷量均为零。放电过程如图乙所示。

甲 乙
核心要点 电容器充、放电现象的定量计算
[试题案例]
[例2] 电流传感器可以像电流表一样测量电流，不同的是反应比较灵敏，且可以和计算机相连，能画出电流与时间的变化图像。图甲是用电流传感器观察充、放电过程的实验电路图，图中电源电压为6 V。
先使开关S与1接通，待充电完成后，把开关S再与2接通，电容器通过电阻放电，电流传感器将电流信息传入计算机，显示出电流随时间变化的I－t图像如图乙所示。根据图像估算出电容器全部放电过程中释放的电荷量为________C，该电容器电容为________μF。(均保留3位有效数字)
解析 根据题图乙的含义，因Q＝It，可知图形与时间轴围成的面积表示电荷量；根据横轴与纵轴的数据可知，一个格子的电荷量为8×10－5 C，由大于半格算一个，小于半格舍去，因此图像所包含的格子个数为38，所以释放的电荷量为q＝8×10－5 C×38＝3.04×10－3 C。根据电容器的电容C＝eq \f(Q,U)可知，C＝eq \f(3.04×10－3,6) F≈5.07×10－4 F＝507 μF。
答案 3.04×10－3 507
1.(多选)关于电容器的充、放电，下列说法中正确的是( )
A.充、放电过程中外电路有瞬间电流
B.充、放电过程中外电路有恒定电流
C.充电过程中电源提供的电能全部转化为内能
D.放电过程中电容器中的电场能逐渐减少
解析 电容器充、放电过程中会有电荷发生定向移动，电路产生变化的瞬间电流，电容器充、放电结束，电流消失，A正确，B错误；充电过程中电源提供的电能部分转化为电容器的电场能，C错误；放电过程中电容器中的电场能转化为其他形式的能，D正确。
答案 AD
2.据国外某媒体报道，科学家发明了一种新型超级电容器，能让手机几分钟内充满电。某同学假日登山途中，用该种电容器给手机电池充电，下列说法正确的是( )
A.该电容器给手机电池充电时，电容器的电容变大
B.该电容器给手机电池充电时，电容器存储的电能变少
C.该电容器给手机电池充电时，电容器所带的电荷量可能不变
D.充电结束后，电容器不带电，电容器的电容为零
解析 电容是描述电容器容纳电荷的本领大小的物理量，与电容器的电压及电荷量无关，故A、D错误；当该电容器给手机电池充电时，电容器存储的电荷量减小，则电能变少，故B正确，C错误。
答案 B
3.(多选)如图所示是一个由电源、电阻R与平行板电容器组成的串联电路，在增大电容器两极板间距离的过程中，下列说法正确的是( )
A.电容器充电
B.电容器放电
C.电阻R中有从a流向b的电流
D.电阻R中有从b流向a的电流
解析 解题关键是电容器与电源相连，其电压不变。由C＝eq \f(εrS,4πkd)可知，当d增大时，C减小，而电容器始终与电源相连，故U不变，由C＝eq \f(Q,U)可知，Q变小，即电容器将放电，电流从a流向b。故正确答案为B、C。
答案 BC
4.如图所示，将平行板电容器接在电池组两极间，两板间的带电尘埃恰好处于静止状态。若将两板缓慢地错开一些，其他条件不变，则( )
A.电容器带电荷量不变
B.电源中将有电流从正极流出
C.尘埃仍静止
D.电流计中将有电流，电流方向为b→a
解析 电容器与电池组连接，其电压不变，带电尘埃静止，静电力与重力平衡，qE＝mg，两极板错开时电场强度不变，故C正确；因电容减小，由Q＝CU，知电荷量Q减小，电容器放电，电流方向为a→b，A、B、D错误。
答案 C
5.电流传感器可以把电容器放电电流随时间变化规律描绘出来。一个电容器先把它接到8 V的电源上充电，然后通过电流传感器放电，其电流随时间变化图像如图所示。由图线和坐标轴所围的面积知道电容器放电前所带的电荷量，已知如图所围的面积约为40个方格，由图可算出电容器的电容为________F。
解析 根据Q＝It以及图像的含义可知，图线与时间轴所围成的面积表示电荷量，则可知：电荷量q＝40×0.2×10－3×0.4 C＝3.2×10－3 C，电容器的电容C＝eq \f(q,U)＝4×10－4 F。
答案 4×10－4实验项目
实验现象
电容器充电
灯泡
灯泡的亮度由明到暗最后熄灭(选填“明”“暗”或“熄灭”)
电流表1
电流表1的读数由大到小最后为零(选填“大”“小”或“零”)
电压表
电压表的读数由小(选填“大”或“小”)到大(选填“大”或“小”)最后为6__V
电容器
放电
灯泡
灯泡的亮度由明到暗最后熄灭(选填“明”“暗”或“熄灭”)
电流表2
电流表2的读数由大到小最后为零(选填“大”“小”或“零”)
电压表
电压表的读数由大(选填“大”或“小”)到小(选填“大”或“小”)最后为0__V