人教版 (2019)必修 第三册第十章 静电场中的能量4 电容器的电容优质ppt课件

10.4 电容器的电容

教学目标与核心素养

一、教学目标

（1）知道什么是电容器，观察认识常见电容器的构造．

（2）理解电容概念及其定义方法，掌握电容的定义公式、单位，并会用来进行有关的计算．

（3）了解平行板电容器的电容公式，知道改变平行板电容器的电容大小的方法．

二、核心素养

物理观念：用类比的方法帮助学生认识电容器并构建电容概念。

科学思维：通过本节教学，培养学生的科学研究能力、实验观察能力和抽象思维能力

科学探究：通过实验感知电容器的充、放电现象，理解电容器的工作原理．通过影响平行板电容器电容因素的实验探究过程，体会其中蕴涵的物理方法——控制变量法，并能够对问题进行定性、定量分析等．

科学态度与责任：电容器两极板带等量异种电荷，体现物理学中的对称美；渗透了事物的本质由自身的因素决定，即内因决定，不由外因决定的观点

教学重难点

重点：电容的概念及决定电容大小的因素。

难点：电容的概念，电容器的电量与电压的关系，电容器的充放电过程。

教学过程

【新课引入】

今天我们就来学习电容器的电容。

【新知探究】

一、电容器

1.平行板电容器

在两个相距很近的平行金属板中间夹上一层绝缘物质——电介质就组成一个最简单的电容器，叫作平行板电容器。

出示图片：平行板电容器

这两个金属板叫作电容器的极板。

注意：空气也是一种电介质

2.电容器

（1）任何两个彼此绝缘且又相隔很近的导体就构成了一个电容器。

（2）构造：两个互相靠近彼此绝缘的导体

（3）作用：存储电荷(存储电能)

出示图片：平行板电容器

实验：观察电容器的充、放电现象

1.实验器材：把直流电源、电阻、电容器、电流表、电压表以及单刀双掷开关

2. 实验电路

电容器的充、放电

实验步骤

1.把开关S接1，此时电源给电容器充电，观察实验现象。

出示：电源给电容器充电动画视频

（1）现象：通过观察电流表可以知道，充电时电流由电源的正极流向电容器的正极板。同时，电流从电容器的负极板流向电源的负极。随着两极板之间电势差的增大，充电电流逐渐减小至 0，此时电容器两极板带有一定的等量异种电荷。另外，在充电过程中，还可以看到电压表示数迅速增大，随后逐渐稳定在某一数值，表示电容器两极板具有一定的电势差。

出示电容器的充电完成的电路图

（2）充电：使原本不带电的两板带上等量异种电荷的过程

两板分别带等量异种电荷，每个极板带电量的绝对值叫电容器的带电量。

出示图片：平行板电容器

注意：即使断开电源，两极板上的电荷由于相互吸引而仍然被保存在电容器中。

2.把开关S接2，电容器对电阻R放电。

出示电容器放电动画视频

（1）现象：观察电流表可以知道，放电电流由电容器的正极板经过电阻R流向电容器的负极板，正负电荷中和。

此时两极板所带的电荷量减小，电势差减小，放电电流也减小，最后两极板电势差以及放电电流都等于0。

出示电容器的放电完成的电路图

（２）放电：用导线将充电后的电容器两极接通，两极失去电荷的过程，叫电容器的放电。

出示电容器用导线将充电后的电容器两极接通的图片

解释：电容器两极正负电荷通过导线中和。

电容器的充、放电现象视频

总结：电容器充电的过程中，两极板的电荷量增加，极板间的电场强度增大，电源的能量不断储存在电容器中；

放电的过程中，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。

拓展学习  用传感器观察电容器的放电过程

1.实验电路和器材如图

实验步骤（1）照图连接电路。电源用直流 8 V左右，电容器可选几十微法的电解电容器。

（2）先使开关 S 与 1 端相连，电源向电容器充电，这个过程可在短时间内完成。

（3）然后把开关 S 掷向 2 端，电容器通过电阻 R 放电，传感器将电流信息传入计算机，屏

幕上显示出电流随时间变化的 I-t 图像

思考1.在图中画一个竖立的狭长矩形，它的面积的物理意义是什么？

一个电容器放电的 I-t 图像

根据图象的含义，因Q=It，所以竖直狭长矩形的面积表示为：在0.1s内电容器的放电量。

2.怎样根据 I-t 图像估算电容器在全部放电过程中释放的电荷量？试着算一算。

参考答案：根据横轴与纵轴的数据可知，一个格子的电量为0.08×10-3C，由大于半格算一个，小于半格舍去，因此图象所包含的格子个数为42，所以释放的电荷量是：Q=0.08×10-3C×42=3.4×10-3C；

出示用传感器观察电容器的充电、放电过程视频

二、电容

电容器充电的实验中，当电容器两极板之间的电势差增大时，电流表的示数不为 0，这表明电容器所带的电荷量也在增加。

出示电容器的放电完成的电路图

那么，电容器所带的电荷量跟两极板间的电势差是否存在某种定量关系？

实验：探究电容器两极板间电势差跟所带电荷量的关系

实验器材：电容器 A、电容器 B、开关、导线、电源（几节干电池）、数字电压表等。

实验步骤

（1）按照如图所示电路图连接电路。

（2）把开关S1 接1，用几节干电池串联后给A充电，可以看到 A 充电后两极板具有一定的电压。

（3）把开关 S1 接 2，使另一个相同的但不带电的电容器 B跟A并联。观察电压表的示数。

现象：电压表示数变为原来的一半。

（4）断开开关 S1 ，闭合开关 S2 ，让 B 的两极板完全放电，随后再断开开关 S2 ，把 B 和 A 并联，观察电压表的示数。

现象：电压表示数再次减少一半。

（5）重复步骤4，观察电压表示数。

实验结论

电容器的电荷量变为原来的一半时，其两极板间的电势差也变为原来的一半。

精确的实验表明，一个电容器所带的电荷量Q与两极板之间的电势差U之比是不变的。

1．电容定义：电容器所带的电荷量跟它的两极板间的电势差的比值，叫做这个电容器的电容，用 C 表示。

2. 定义式：

Q指每一个极板带电量绝对值，U表示电容器两板的电势差—电压

电容器电容定义式也可以写成：

数值上等于使两极板间的电势差增加1V时，所需要的电荷量

3、单位：法拉（F）；微法（uF）；皮法（pF）

关系：1F=106uF=1012pF

4、物理意义：

电容是反映电容器储存电荷的本领的物理量。

5.电容器的电容由本身结构决定。与所带的电荷Q和所加的电压U无关。

说明：即使电容器不带电，其电容仍然存在，并且是个确定值。

6. 电容器的电容在数值上等于使两极板间的电势差为 1 V 时电容器需要带的电荷量，电荷量越多，表示电容器的电容越大。

这类似于用不同的容器装水。如图 ，要使容器中的水深都为 1 cm，横截面积大的容器需要的水多。

7.击穿电压

加在电容器两极板上的电压不能超过某一限度， 超过这个限度，电介质将被击穿，电容器损坏。这个极限电压叫作击穿电压。

8.额定电压

电容器外壳上标的是工作电压，或称额定电压，这个数值比击穿电压低。

拓展学习    平行板电容器的电容

平行板电容器是最简单的，也是最基本的电容器。几乎所有电容器都是平行板电容器的变形。平行板电容器的电容是由哪些因素决定的呢？

1.实验器材

静电计、平行板电容器、电介质（例如有机玻璃板）

2.实验步骤

（1）保持极板上的电荷量 Q 不变，两极板间的距离 d 也不变，改变两极板的正对面积 S，观察静电计指针的变化得到两极板之间电势差的变化。根据电容的定义式 ，得到正对面积 S 对电容 C 的影响。

如图减小两极板的正对面积 S，静电计指示的电势差增大，C减小。

（2）保持极板上的电荷量 Q 不变，两极板的正对面积 S 也不变，改变两极板间的距离 d，通过静电计指针的变化可得到两极板之间的距离 d 对电容 C 的影响。

如图增大两极板间的距离 d，静电计指示的电势差增大，由 知C减小。

（4）保持 Q、S、d 都不变，在两极板间插入电介质，例如有机玻璃板。通过静电计指针的变化可得到两极板之间电介质的存在对电容 C 的影响。

如图在两极板间插入电介质，静电计指示的电势差减小，由 知C增大。

出示：影响平行板电容器的因素视频

3.理论和实验表明

平行板电容器的电容C跟相对介电常数εr成正比，跟正对面积S成正比，跟极板间的距离d成反比，即：

εr是一个常数，与电介质的性质有关，叫作电介质的相对介电常数。

三、常用电容器

1.常用的电容器，从构造上看，可以分为固定电容器和可变电容器两类。

2. 固定电容器通常以电解质的种类命名，以聚苯乙烯薄膜为电介质，把两层铝箔隔开，卷起来，这种电容器叫聚苯乙烯电容器。电解质为云母的叫做云母电容器。

出示图片：聚苯乙烯电容器

还有一种固定电容器叫电解电容器，是用铝箔作为一个极板，用铝箔上很薄的一层氧化膜为电介质，用浸过电解液的纸作为另一个极板制成的，这种电容器有正负之分。由于氧化膜很薄，所以电容较大。

出示图片：电解电容器

3.可变电容器：由两组铝片组成，它的电容是可以改变的。固定的一组铝片叫作定片，可以转动的一组铝片叫作动片。转动动片，使两组铝片的正对面积发生变化，电容就随着改变。

出示图片：可变电容器

4.超级电容器

超级电容器是20世纪70年代根据电化学原理研发的一种新型电容器，超级电容器的充电时间短，储存电能多，放电功率大，使用寿命长。这些优点展现了它作为新型动力电源的广阔发展前景。

【课堂小结】

4.平行板电容器的电容

【随堂演练】

1.电容是表征______________的物理量．如果某电容器的电量每增加10-6C，两极板之间电势差增加1V，则该电容器电容为____，影响电容器电容大小的因素为____、____和____。

答案：电容器容纳电荷本领；10-6F；两极板间距离，两极板正对面积；电介质

2．如图为电容C与电压U，的电源连成的电路．当电键K与1接通, 电容器A极板带____电，B板带____电，这一过程称为电容器___________ ，电路稳定后，两极板间电势差为____。

当K与2接通，流过导体acb的电流方向为____________ ，称为电容器______ 。

答案：负；正；充电过程；U；b→c→a；放电

3.下列关于常用电容器，说法正确的是  (      )

A．电解电容器的极性固定，作用时极性不能错

B．可变电容器是通过改变铝片正对面积来改变电容

C．电容器的额定电压就是击穿电压

D．额定电压是长期工作所承受电压，比击穿电压小

答案：ABC

4．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，电容器所带的电荷量可能不变

C．该电容器给手机电池充电时，电容器存储的电能变少

D．充电结束后，电容器不带电，电容器的电容为零

答案：C

拓展提高

1.如图所示，描述对给定的电容器充电时，电量Q、电压U，电容C之间的相互关系图象，其中错误的是(      )

答案：A

2．有一个已充电的电容器，两极板之间的电压是6V，所带电荷量是4.5×10-4 C．将电容器的电压降为4V，电容器所带电荷量是（　　）

A．1.5×10-4C       B．3.0×10-4C      C．3.5×10-4C       D．4.0×10-4C

答案：B

3.一充电后的平行板电容器保持两极板的正对面积、间距和电荷量不变，在两极板间插入一电介质，其电容C和两极板间的电势差U的变化情况是（　　）

A．C和U均增大        B．C和U均减小        

C．C减小，U增大       D．C增大，U减小

答案：D