1、第十章 4.电容器的电容【教学目标】 目标与素养1.知道什么是电容器及常见的电容器。从物理学的视角认识自然、理解自然，建构关于自然界的物理图景。2.引导学生经历科学探究过程，知道电容器充电和放电时的电流情况，理解电容器电容的概念及物理意义，养成科学思维习惯。 3.掌握平行板电容器的决定式并能运用其讨论相关问题。体会科学研究方法，增强创新意识和实践能力，注重体现物理学科的本质，培养学生的物理核心素养。 情境与问题 1.通过观察，了解电容器的构造和特点，通过类比，理解电容器电容的概念。借助已有的知识和方法，应用类比迁移的方法解决不熟悉的问题，培养学生的自我学习能力。结合实物观察与实验演示，在计算过
2、程中理解掌握电容器的相关概念、性质。 2.通过体会电容器在实际生活中的广泛应用，培养学生探究新事物的兴趣。过程与方法1.通过探究，理解平行板电容器的电容与哪些因素有关，有什么关系，培养学生互相讨论、互相协助、大胆创新的精神 2.通过观察，了解电容器的构造和特点，通过类比，理解电容器电容的概念，渗透内因决定事物本质的哲学观点。4.展示电容器两极带等量异种电荷，让学生体会物理学中的对称美。【重点难点】重点：掌握电容器的概念、定义式及平行板电容器电容的决定式。难点：1.电容器充、放电过程的特点。 2.对电容物理意义的理解，电容器电容的计算与应用。【课前准备】教师准备多媒体课件，干电池、电容器、导线若
3、干、发声芯片、两片较大金属板、塑料薄膜、电容表等。学生准备课前预习，准备学具，查阅资料，观察生活中的有关现象，分组调研等。【教学过程】一、创设情境，导入新课活动:用手机给全班拍照(使用闪光灯)。师:手机、照相机的闪光灯工作时，是用什么来直接供电的呢? 学生大多数回答是电源或电池。师:事实上，手机、照相机的闪光灯工作时不是靠供电，而是由一种重要的电学元件电容器来供电 展示各种各样电容器的图片 引言:电容器在我们当今的生活中随处可见，如电脑、电视机、收音机、手机等几乎所有用电器中都有电容器。可见，电容器是一种应用十分广泛的电学元件，今天我们就来学习电容器以及描述其容纳电荷本领的物理量电容。二、教学
4、过程1.电容器在我们的日常生活中，哪些电器中用到了电容器？教师用课件展示互联网链接图片电视、电脑、VCD等线路板。电容器是一种重要的电学元件，有广泛的应用。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（空气也是一种电介质），就组成一个最简单的电容器，叫做平行板电容器。这两个金属板叫做电容器的极板。实际上，任何两个彼此绝缘又相距很近的导体，都可以看成一个电容器。(出示电容器示教板，使学生仔细观察，找出电容器的共同点)任何两个彼此绝缘又相隔很近的导体，组成一个电容器。电容器能贮藏电量和能量，两个导体称为电容的两极。下面以平行板电容器为例来学习有关电容器的一些基本知识。2电容器的充放电(通过课
5、件演示充放电过程)（1）充电+ + + +CUQQESA充电如图所示，把电容器的一个极板与电池组的正极相连，另一个极板与负极相连，两个极板就分别带上了等量的异种电荷。电容器两板分别接在电池两端，两板带上等量异种电荷的过程叫做充电。充电过程的能量转化在充电过程中，从灵敏电流计可以观察到短暂的充电电流。充电后，切断与电源的联系，两个极板上的电荷由于相互吸引而保存下来，两个极板间有电场存在。充电过程中由电源获得的电能贮存在电场中，称为电场能。充电过程极板带电量Q增加，板间电压U增加，板间场强E增加，电能转化为电场能。（2）放电CU0ESA放电如图所示，如果把充电后的电容器的两极板接通，两极板上的电荷
6、互相中和，电容器就不再带电。充电后的电容器两极板用导线相连，两极板上的电荷中和的过程叫做放电。放电过程的能量转化在放电过程中，从灵敏电流计可以观察到有短暂的放电电流。放电后，两极板间不再有电场，电场能转化为其它形式的能。放电过程极板带电量Q减少，板间电压U减小，板间场强E减小，电场能转化为其他形式能。二、电容1电容器所带的电荷量电容器所带的电荷量，是指每个极板所带电荷量的绝对值。2电容电容器是容纳电荷的容器。充电后的电容器的两极板间有电势差，这个电势差跟电容器所带的电荷量有关。一个电容器容纳电荷的本领如何描述呢？用电容器所带电荷量描述吗？ 问题：甲电容器两板各带2C电量，板间电压为2000V，
7、乙电容器两板各带3C电量，板间电压为4000V，能否说乙电容器容纳电荷的能力大呢？ 分析：不能。电容器所带电量越多，板间电压越大。对上述问题，不能在电压不同这种不对等情况下比较电荷量，应在相同电压下讨论，可取1V电压下对比它们的电荷量。甲：；乙：，所以甲容纳电荷的本领大。实验表明，一个电容器所带的电荷量Q与电容器两极板间电压U成正比，比值是一个常量。但不同的电容器，这个比值一般是不同的，可见，这个比值表征了电容器储存电荷的特性。总结：可用电容器所带电荷量与两板间电压的比值来描述电容器容纳电荷的本领。（1）定义电容器所带电荷量Q与电容器两极板间的电势差U的比值，叫做电容器的电容。这是用比值定义法
8、定义的。（2）公式用C表示电容，则有C（量度式）上式表示，电容器的电容在数值上等于使两板间电势差为1V时电容器需要带的电荷量。或等于使电容器两极板间电势差增加1V时所需的电荷量。需要的电荷量多，表示电容器的电容大。（3）物理意义(类比理解) 电容器 水容器 容纳电荷的能力 容纳水的能力 单位电压电容器所带电量 单位深度水容器所带水量（体积V） C S（横截面积） 确定的电容器C确定 确定的水容器S确定即：C由电容器自身决定 由水容器自身决定电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量，由电容器本身决定，与电容器是否带电无关。（4）单位在国际单位制中，电容的单位是法拉，简称法，符号是F。如果一个电容器带
9、1C的电量，两极板间的电势差是1V，这个电容器的电容就是1F。法拉这个单位太大，实际中常用较小的单位：微法(F)和皮法(pF)，它们与法拉的关系是：1F106F1012pF现在已经能够制成电容超过1F的电容器。三、平行板电容器的电容1平行板电容器两块平行且相互绝缘的金属板构成的电容器，叫做平行板电容器。平行板电容器是电容器中具有代表性的一种，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。所以我们先研究平行板电容器的电容。2影响平行板电容器电容的因素现在我们研究平行板电容器的电容跟哪些因素有关。【演示】介绍静电计：静电计是在电容器的基础上制成的，用来测量电势差。把它的金属
10、球接一导体，金属外壳接另一导体，从指针的偏角可测出两导体间的电势差，指针偏角越大，指针与外壳间电势差越大。将平行板电容器的一板固定于铁架台上，且与一外壳接地的静电计的金属球连接，手持有绝缘柄的另一极板，并将该板与静电计的外壳连接。用电池组给电容器充电后断开电源，保持极板上的电量Q不变。（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。现象：S增大时，静电计指针偏角变小；S减小时，指针偏角变大。分析：根据C，Q不变。SU，则C增大。SU，则C减小。精确实验表明：C与S成正比。（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。现象：板间距
11、d增大时，静电计指针偏角变大；板间距d减小时，静电计指针偏角减小。分析：给电容器充电后断开电源，电源不再继续对电容器充电，同时也没有导线将两板相连，电容器也不会放电，电容器所带电荷量不变。根据C，Q不变。dU，则C减小。dU，则C增大。精确实验表明：C和d成反比。（3）保持Q、S、d都不变，在两板间插入电介质现象：两极板位置不变，把电介质板插入，可观察到电介质板进入过程中，静电计指针偏角变小。分析：电介质一般指绝缘物质，无自由电荷，电荷可在平衡位置附近做微小振动。当绝缘物质处于外加电场中时，这些电荷受力，其分布将发生一定的变化，在靠近正极板表面上出现负电荷，在靠近负极板表面上出现正电荷。这些电
12、荷不是自由电荷，而是被束缚在电介质上，不能自由移动。这些束缚电荷使板间电场削弱，两板间电势差U降低，从而使静电计指针偏角减小。也可以用能的观点加以分析：电介质板插入过程中，由于束缚电荷与极板上电荷相互吸引力做功，电势能减少，故电势差降低。根据C，Q不变。板间插入电介质U，则C增大。板间充满某种介质时，C会变为板间为真空时的若干倍。(2)实验探究总结：一般来说，电容器的电容是由两个导体的大小和形状，两个导体的相对位置及极板间的电介质决定的。3平行板电容器电容公式理论分析表明，平行板电容器的两极板间是真空时，电容C与极板的正对面积S、极板距离d的关系为式中k为静电力常量。当两极板间充满同一种介质时
13、，电容变大为真空的r倍，即（决定式）r是一个常数，与电介质的性质有关，称为电介质的相对介电常数。空气的相对介电常数与1十分接近，所以在一般性研究中，空气对电容的影响可以忽略。参见课本中给出的几种常用电介质的相对介电常数表。四、常用电容器常用的电容器，从构造上看，可以分为分固定电容器和可变电容器两类。1固定电容器固定电容器的电容是固定不变的。固定电容器中，根据使用的介质不同又有不同的名称。常用的有纸质电容、聚苯乙烯电容和电解电容等。固定电容器大都通过改变正对面积来制造出不同电容的电容器。以聚苯乙烯薄膜为电介质，把两层铝箔隔开，卷起来，就制成了聚苯乙烯电容器。改变铝箔的面积和薄膜的厚度，可以制成不
14、同电容的聚苯乙烯电容器。用陶瓷做电介质的固定电容器也很多。电解电容器是用铝箔做一个极板，用铝箔上很薄的一层氧化膜做电介质，用浸过电解液的纸做另一个极板（要靠另一片铝箔与外部引线连接）制成的。由于氧化膜很薄，所以电容较大。电解电容器两个引线一长一短，短者为负，使用时注意区分，电解电容器的正负极是固定的，使用时不能接错。2可变电容器可变电容器的电容是可以改变的。可变电容器由两组铝片组成，它的电容是可以改变的。固定的一组铝片叫定片，可以转动的一组铝片叫动片。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。(出示电容器示教板，介绍各种电容器，让学生注意各种电容器的表示符号)3电容器的两个重要参数（1）电容（2）额定电压、击穿电压加在电容器两极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，这个极限电压称为击穿电压。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。电容值及额定电压值是电容器的两个重要参量。使用前，应看清它的这两个参量才能正确使用。其他电器元件也有它的参量，学生应养成使用前先了解它们的参量的习惯。【课堂小结】今天这节课我们在知识上学习了电容器、描述电容器储存电荷本领大小的物理量电容;在研究方法上我们应用了类比法研究问题，又重温了比值定义法。