教科版 (2019)必修 第三册3 静电场 电场强度和电场线优秀学案设计

这是一份教科版 (2019)必修 第三册3 静电场 电场强度和电场线优秀学案设计，共12页。
电容器　电容学习目标：1．[物理观念]知道电容器的概念，掌握电容的定义、公式和单位，了解影响平行板电容器电容大小的因素。认识常见的电容器。　2．[科学思维]理解电容的定义式C＝和决定平行板电容器电容大小的因素，能够分析解决有关电容的问题。　3．[科学探究]通过实验探究电容器的充、放电现象，感知电流的变化。　4．[科学态度与责任]了解电容器在生产、生活中的应用，养成观察、分析比较、归纳的良好学习习惯。一、电容器1．电容器：任何两个彼此绝缘又互相靠近的导体都可以看成一个电容器。2．平行板电容器：两块彼此隔开平行放置的金属板构成一个最简单的电容器。3．电容器所带的电荷量：一般把任意一块极板所带电荷量的绝对值，叫作电容器所带的电荷量，用Q表示。4．电容器的充、放电(1)充电：使电容器的两极板带上等量异种电荷，这个过程叫作电容器充电。(2)放电：使电容器两极板异种电荷中和，这个过程叫作电容器放电。(3)电容器充、放电过程中能量的变化①充电过程：电源的能量储存在电容器中。②放电过程：电容器把储存的能量通过电流做功转化为电路中其他形式的能量。注意：其他的电容器都可以看作平行板电容器的变形。二、电容器的电容1．电容：描述电容器储存电荷能力的物理量叫作电容器的电容量，通常也简称电容。用C表示。2．定义式：C＝。3．物理意义：电容器的电容在数值上等于两极板间的电势差为1 V时电容器所带的电荷量。4．单位：在国际单位制中，是法拉，简称法，符号F,1 F＝1C/V，1 pF＝10－6μF＝10－12F。注意：C＝是定义式，C的大小与Q、U均无关。三、实验：观察电容器的充放电现象1．充电：把开关S接1，电源给电容器充电，电容器两极所带电荷量逐渐增大，电流表示数逐渐减小，当电流表示数为0时，电容器充电结束。2．放电：把开关S接2，电容器对电阻R放电，电流表示数逐渐减小，且与充电时电流方向相反，当电流表示数为0时放电结束。四、常见电容器1．平行板电容器：它的电容的大小与两极板正对面积成正比、与两板间距离成反比，还与两板间的电介质有关。2．可变电容器：由两组金属片组成，固定不动的一组金属片叫作定片，可以转动的一组金属片叫作动片。转动动片，两组金属片的正对面积发生变化，电容就会随着改变。3．电容器上一般都标明了电容量和额定电压的数值，它比击穿电压要低许多。注意：平行板电容器的电容决定式：C＝，与εr(相对介电常数)、S(正对面积)、d(两极板间的距离有关)。1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)任意两个彼此绝缘且又相互靠近的导体都可组成电容器。  (√)(2)使电容器带电的过程叫作充电。  (√)(3)平行板电容器充电后，两极板间的电场为匀强电场。 (√)(4)其他条件不变，只增大电容器极板的正对面积，则电容增大。  (√)2．电容器是一种常用的电子元件，下列对电容器认识正确的是(　　)A．电容器的电容表示其储存电荷的能力B．电容器的电容与它所带的电荷量成正比C．电容器的电容与它两极板间的电压成正比D．电容的常用单位有μF和pF,1 μF＝103 pFA　[电容表示电容器储存电荷的能力，A正确；电容C＝是电容的定义式，不是决定式，故C与Q、U无关，B、C错误；1 μF＝106 pF，D错误。]3．(多选)有一个空气平行板电容器，极板间相距d，正对面积为S，充以电荷量Q后，两极板间电压为U，为使电容器的电容加倍，可采用的办法是(　　)A．将电压变为B．将带电荷量变为2QC．将极板间的距离变为D．两板间充满介电常数为2的电介质CD　[电容器的电容与电容器极板上的电荷量、电压无关，所以选项A、B不正确；根据公式C＝，选项C、D正确。]电容器充、放电问题二极管是一种半导体元件，具有单向导电性，用D表示，其电路符号为“”(该符号左端为正极，右端为负极)。发光二极管是二极管的一种。当发光二极管接正向电压(发光二极管的正、负极分别与电源正、负极相接)时，二极管导通并发光；接反向电压时，二极管的电阻很大，不会发光。按图所示连接电路，将开关分别拨到位置“1”和“2”时，哪个二极管会发光？实验电路图提示：开关拨到位置“1”时，电源给电容器充电，此时二极管D2导通并发光；开关拨到位置“2”时，电容器放电，此时二极管D1导通并发光。1．充电过程电路如图所示。特点：(1)有电流，电流方向为流入电容器正极板，电流由大到小。(2)电容器所带电荷量增加。(3)电容器两极板间电压升高。(4)电容器两极板间电场强度增强。当电容器充电结束后，电容器所在电路中无电流，电容器两极板间电压与充电电压相等。2．放电过程电路如图所示。特点：(1)有电流，电流方向是从正极板流出，电流由大变小。(2)电容器所带电荷量减少。(3)电容器两极板间电压降低。(4)电容器两极板间电场强度减弱。当电容器放电结束后，电路中无电流。电容器的放电过程实际上是正、负电荷中和的过程。【例1】　(多选)电子眼系统通过路面下埋设的感应线来感知汽车的压力。感应线是一个压电薄膜传感器，压电薄膜在受压时两端产生电压，压力越大电压越大，压电薄膜与电容器C和电阻R组成图甲所示的回路，红灯亮时，如果汽车的前、后轮先后经过感应线，回路中产生两脉冲电流，如图乙所示，即视为“闯红灯”，电子眼拍照。则红灯亮时(　　)甲　　　　　　乙A．车轮停在感应线上时，电阻R上有恒定电流B．车轮经过感应线的过程中，电容器先充电后放电C．车轮经过感应线的过程中，电阻R上的电流先增大后减小D．汽车前轮刚越过感应线，又倒回到线内，仍会被电子眼拍照思路点拨：(1)车轮经过感应线时电容器的电容变化，有充电、放电脉冲。(2)只要有两个脉冲就会被拍照。BD　[车轮停在感应线上时，压力不变，则电压不变，电容器不充电，也不放电，电阻R上没有电流，故A错误；由题图乙可知，当车轮经过感应线时，电流先增大后减小，然后再反向增大后减小，因电压是在受压时产生的，故说明电容器先充电后放电，故B正确，C错误；若汽车前轮刚越过感应线，又倒回到线内，则前轮两次压线，仍形成两个脉冲电流，符合拍照条件，电子眼仍会拍照，故D正确。]充电电流与放电电流(1)电容器两极板间的电介质使两极板之间绝缘，所以充电结束后的电容器相当于断路。(2)而充电过程中电荷由电源定向移动，在两极板上聚集，故电路中有充电电流，而且电流流向正极板。(3)放电时，电容器极板上的电荷减少，有放电电流，且电流从正极板流出。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A　[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对，B错；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。]对电容的理解当电容器的电荷量增加时，电容器两极板间的电势差如何变化？电荷量Q和板间电势差U的比值是否发生变化？提示：增大、不变1．两公式C＝与C＝的比较公式C＝C＝公式特点定义式决定式意义对某电容器Q∝U，但＝C不变，反映电容器容纳电荷的本领平行板电容器，C∝εr，C∝S，C∝，反映了影响电容大小的因素联系电容器容纳电荷的本领由来量度，由本身的结构(如平行板电容器的εr、S、d等因素)来决定2．通过Q­U图像来理解C＝。如图所示，在Q­U图像中，电容是一条过原点的直线的斜率，其中Q为一个极板上所带电荷量的绝对值，U为两极板间的电势差，可以看出，电容器电容也可以表示为C＝，即电容器的电容的大小在数值上等于两极板间的电压增加(或减小)1 V所需增加(或减少)的电荷量。【例2】　有一充电的平行板电容器，两板间电势差为3 V，现使它的电荷量减少3×10－4 C，于是电容器两板间的电势差降为原来的，则此电容器的电容是多大？电容器原来带的电荷量是多少？若将电容器极板上的电荷量全部放掉，电容器的电容是多大？思路点拨：(1)电容公式C＝或C＝。(2)电容C与电容器是否带电或带电量多少无关。[解析]　电容器两极板间电势差的变化量为ΔU＝U＝×3 V＝2 V由C＝，得C＝ F＝1.5×10－4 F＝150 μF设电容器原来带的电荷量为Q，则Q＝CU＝1.5×10－4×3 C＝4.5×10－4 C电容器的电容是由其本身决定的，与是否带电无关，所以电容器极板上的电荷量全部放掉后，电容仍然是150 μF。[答案]　150 μF　4.5×10－4 C　150 μFC＝的推导当电容器两端电压为U1时，电荷量为Q1，则有Q1＝CU1，当电容器两端电压为U2时，电荷量为Q2，则有Q2＝CU2，Q2－Q1＝CU2－CU1＝C(U2－U1)，即ΔQ＝CΔU，所以C＝。2．(多选)关于电容器和电容的概念，下列说法正确的是(　　)A．任何两个彼此绝缘又互相靠近的导体都可以看成是一个电容器B．用电源对平行板电容器充电后，两极板一定带有等量异种电荷C．某一电容器带电荷量越多，它的电容就越大D．某一电容器两板间的电压越高，它的电容就越大AB　[电容器是容纳电荷的容器，电容是描述电容器容纳电荷本领大小的物理量。电容的大小与电容器带电多少及两极间电压大小都无关，故A、B正确。]平行板电容器的两类动态问题平行板电容器由两块平行放置的金属板组成。利用平行板电容器进行如下实验：(1)如图所示，保持Q和d不变，增大(或减小)两极板的正对面积S，观察电势差U(静电计指针偏角)的变化，依据C＝，分析电容C的变化。 (2)如图所示，保持Q和S不变，增大(或减小)两极板间的距离d，观察电势差U(静电计指针偏角)的变化，依据C＝，分析电容C的变化。(3)如图所示，保持Q、S、d不变，插入电介质，观察电势差U(静电计指针偏角)的变化，依据C＝，分析电容C的变化。提示：(1)S增大，C增大，U减小。(2)d增大，C减小，U增大。(3)插入电介质，C增大，U减小。1．两类情况：(1)平行板电容器两极板始终与电源两极相连(此时板间电压U保持不变)；(2)电容器充电后与电源断开(此时电荷量Q保持不变)。2．分析思路：(1)(2)【例3】　研究与平行板电容器电容有关因素的实验装置如图所示，下列说法正确的是(　　)A．实验前，只用带电玻璃棒与电容器a板接触，能使电容器带电B．实验中，只将电容器b板向上平移，静电计指针的张角变小C．实验中，只在极板间插入有机玻璃板，静电计指针的张角变大D．实验中，只增加极板带电荷量，静电计指针的张角变大，表明电容增大思路点拨：通过题图，可以获得以下信息：(1)平行板电容器电荷量保持不变。(2)静电计小球与外壳间电压和电容器两极间电压相同。(3)静电计指针偏角与静电计小球和外壳间电压成正比。A　[当用带电玻璃棒与电容器a板接触，由于静电感应，从而在b板感应出等量的异种电荷，从而使电容器带电，故选项A正确；根据电容器的决定式：C＝，将电容器b板向上平移，即正对面积S减小，则电容C减小，根据C＝可知，电荷量Q不变，则电压U增大，则静电计指针的张角变大，故选项B错误；根据电容器的决定式：C＝，只在极板间插入有机玻璃板，则介电系数εr增大，则电容C增大，根据C＝可知，电荷量Q不变，则电压U减小，则静电计指针的张角减小，故选项C错误；根据C＝可知，电荷量Q增大，则电压U也会增大，但电容C不变，故选项D错误。]1静电计是在验电器的基础上改造而成的，静电计由相互绝缘的两部分组成，静电计与电容器的两极板分别连接在一起，则电容器上的电势差就等于静电计上所指示的电势差U，U的大小就从静电计的刻度读出，可见，静电计指针的变化表征了电容器两极板电势差的变化。2静电计本身也是一个电容器，但静电计容纳电荷的本领很弱，即电容很小，当带电的电容器与静电计连接时，可认为电容器上的电荷量保持不变。3．如图所示，平行板电容器与电源连接，上极板A接地，一带负电的油滴静止于电容器中的P点，现将平行板电容器的下极板B竖直向下移动一小段距离，则(　　)A．带电油滴所受静电力不变B．P点的电势将升高C．带电油滴在P点时的电势能增大D．电容器的电容减小，极板带电荷量增大B　[将平行板电容器的下极板竖直向下移动一小段距离，由于电容器两板间电压不变，根据E＝得知板间场强减  小，油滴所受的静电力减小，则油滴将向下运动，故选项A错误；板间场强E减小，而P点与上极板间的距离不变，则由公式U＝Ed分析可知，P点与上极板间电势差将减小，而P点的电势低于上极板的电势，则知P点的电势将升高，由带电油滴原来处于平衡状态可知油滴带负电，P点的电势升高，则油滴在P点时的电势能将减小，故选项B正确，C错误；根据电容的定义式C＝知，电容器与电源相连，则U不变，当C减小时，则极板带电荷量Q也减小，故选项D错误。]1．物理观念：电容器、电容的两个公式C＝，C＝。2．科学思维：会解释电容器的充放电现象，能用两个公式研究动态变化问题。3．科学方法：比值定义法、实验法、观察法、图像法、计算法等。1．下列关于电容的说法正确的是(　　)A．电容器简称电容B．电容器A的电容比B的大，说明A的带电荷量比B多C．电容在数值上等于使两极板间的电势差为1 V时电容器带的电荷量D．由公式C＝知，电容器的电容与电容器两极板间的电压成反比，与电容器所带的电荷量成正比C　[电容器和电容是两个不同的概念，A错误；电容器A的电容比B的大，只能说明电容器A容纳电荷的本领比B强，与是否带电无关，B错误；电容器的电容大小和它所带的电荷量、两极板间的电压等均无关，D错误；由公式C＝可知，电容器的电容在数值上等于使两极板间的电势差为1 V时极板上的电荷量，故C正确。]2．如图所示，为某一电容器中所带电荷量和两端电压之间的关系图线，若将该电容器两端的电压从40 V降低到36 V，对电容器来说正确的是(　　)A．是充电过程B．是放电过程C．该电容器的电容为5.0×10－2 FD．该电容器所带电荷量的变化量为0.20 CB　[由Q＝CU知，U降低，Q减小，故为放电过程，A错误，B正确；由C＝＝F＝5×10－3F，C错误；ΔQ＝CΔU＝5×10－3×4 C＝0.02 C，D错误。]3．(多选)如图所示，一平行板电容器与一电源连接，电源两端的电压保持不变，若使电容器两板间的距离变小，则(　　)A．电容器的电容比原来减小B．电容器两板间的电压比原来减小C．电容器所带的电荷量比原来增加D．电容器两板间的电场强度比原来增加CD　[电容器极板间的距离越近，电容器的电容就越大，选项A错误；充电结束后，电容器两极板间的电压与电源电压相等，选项B错误；在电压不变的情况下，电容增大，则电容器所带电荷量增加，选项C正确；当极板间电压不变时，板间距离变小，板间电场强度变大，选项D正确。]4．如图所示，A、B为两块竖直放置的平行金属板，G是静电计，开关S闭合后，静电计指针张开一定角度。下述做法可使静电计指针张角增大的是(　　)A．使A板向左平移以增大板间距离B．在A、B两板之间插入一块陶瓷板C．断开S后，使B板向左平移以减小板间距离D．断开S后，使B板向上平移以减小极板正对面积D　[开关S闭合，电容器两端的电势差不变，则指针的张角不变，故A、B错误；断开S，电容器所带的电荷量不变，当B板向左平移减小板间距，根据平行板电容器的表达式可知电容增大，根据U＝知，电势差减小，则指针张角减小，故C错误；断开S，电容器所带的电荷量不变，使B板向上平移减小正对面积，电容减小，根据U＝知，电势差增大，则指针张角增大，故D正确。]5．情境：当病人发生心室纤颤时，必须要用除颤器及时进行抢救，除颤器工作时的供电装置是一个C＝70 μF的电容器，它在工作时，一般是让100～300 J的电能在2 ms的时间内通过病人的心脏部位。问题：已知充电后电容器储存的电能为E＝CU2，(1)除颤器工作时的电功率在什么范围？(2)要使除颤器的电容器储存140 J的电能，充电电压需达到多大？[解析]　(1)根据电功率P＝知P1＝ W＝5×104 W＝50 kW，P2＝ W＝1.5×105 W＝150 kW，即电功率的范围为50～150 kW。(2)根据电容器储存的电能为E＝CU2，知U＝＝ V＝2 000 V。[答案]　(1)50～150 kW　(2)2 000 V