1.8 电容器电容（创新实验）说课稿-2024-2025学年高二上学期物理教科版（2019）必修第三册

教科版高中物理必修3第1章第8节创新实验：《电容器电容》说课 一、课标与教材分析 （一）使用教材 本节课依据的教材是教育科学出版社普通高中教科书物理必修三第一章第八节。 （二）课标分析 2020年修订的《普通高中物理课程标准》对本节的要求是“观察常见的电容器，了解电容器的电容，观察电容器的充、放电现象。能举例说明电容器的应用。”课标要求可以概括为四个方面，即电容器、电容、观察电容器的充放电现象和电容器的应用。对于电容这一概念，它与之前课标对电场强度的要求有一定呼应关系，要求体会物理量之比定义新物理量的方法，本节课是对这一方法的又一次运用。对于观察电容器充放电现象这个实验，它是新课标新增一个学生必做实验，该实验有助于学生对电容器工作过程和原理的进一步理解，需要引起足够的关注。 （三）教材分析 本节内容位于“静电场”一章，这一章大体可以分为“静电场力的性质”“静电场能的性质”和“静电场的应用”三个部分。本节内容电容就属于静电场的应用，它是在学生学习静电场有关知识后联系生产生活实际的应用，具有重要的实践意义。本节教材首先利用感应起电机中如何储存电荷来引入莱顿瓶，认识电容器的结构，了解电容器的电容，再通过实验观察电容器的充放电现象，最后再介绍了常见的电容器。为了更好地帮助学生理解电容的物理含义，我将本节内容教学顺序做了一定调整，将观察电容器充放电现象的实验前移，紧接着加入实验探究电容器电荷量与电势差的关系，然后再来讨论电容器的电容。这样的调整是为了更好地符合学生的“先定性再定量，先现象再本质”的认知学习规律。 二、实验教学目标 通过实验观察电容器充电和放电过程，分析电容器电荷量与能量变化的情况。（科学探究、科学思维） 通过实验探究电容器电荷量与电势差的定量关系，进一步了解比值定义法在物理学的意义。（科学探究、科学思维） 三、实验创新改进要点 （一）对“观察电容器充放电现象”实验的改进 在教材中，观察电容器充放电现象是采用如图1所示的电路。 图1 教材中“观察电容器充放电现象”的电路图 通过我们的实践研究，它有三点不足，一是充放电时间较短，现象不易观察；二是电流计指针容易被损坏，三是该电路无法观察电势差的变化。为此，我们设计了如图2所示的改进方案，主要有三点改进，一是通过串联电阻来延长充放电时间，便于观察；二是改用发光二极管观察电流方向，通过发光亮度观察电流大小；三是通过增加数字电压表便捷地观察电势差的变化。 图2 改进后的“观察电容器充放电现象”电路图 （二）对“探究电容器电荷量与电势差的定量关系”实验的创新 教材是通过“讨论交流”的方式设置了几个问题，通过理论的方式引导学生进行定性的分析。我们认为理论推理有一定难度，不一定适合所有学生，而且只能定性无法定量。但是想要通过实验进行探究，就必须突破测定电荷量这一难点。为此，我们借鉴了库伦扭秤实验中的电荷等分法，创新地设计如图3所示的电路，通过规格相同的电容器C2平分原电容器C1的电荷，进而实现对电荷量的定量研究。 图3 创新设计的“探究电容器电荷量与电势差的定量关系”电路图 四、实验原理 （一）实验1：观察电容器充放电现象 本实验利用发光二极管的单向导电性反映电流的方向，通过观察发光二极管的亮度变化探究电流大小的变化。再利用数字电压表与电容器并联，测得电容器两端的电势差。 （二）实验2：探究电容器电荷量与电势差的定量关系 电荷平分原理：两个规格参数相同的电容器C1和C2，其中C1所带电荷量为Q，C2原不带电，若将C2与C1并联，两个电容器各自所带电荷量均为。 五、实验器材 自制教具：电容器的实验探究仪（见图4） 图4 自制教具实物图和实验原理图 六、实验教学内容 本节课的主要教学内容和流程如图5所示。 图5 教学内容、流程与设计意图 七、实验教学过程 （一）创境设问 在创境设问阶段，我们尊重教材，通过感应起电机引入莱顿瓶，介绍莱顿瓶的构造，进而了解一般电容器的基本构造和电路符号（见图6）。 图6 感应起电机、莱顿瓶和电容器符号 （二）互动解疑 （1）实验1：观察电容器的充、放电现象 在实验观察电容器充放电现象的活动中，教师提出“如何将电荷装入电容器”和“如何倒出电容器的电荷”两个问题 引发学生思考，进行适当的引导。学生完成相关实验（见图7）。 图7 学生实验观察电容器的充放电现象 （2）对电容器充放电实验现象的解释 在电容器的充电过程，红色二极管发光表明了电流的方向如图8所示，通过对电荷的定向移动情况分析可以判断此时电容器的电荷量在增加。再来对实验过程中几张照片进行对比，可以发现，电压表示数在不断增加，二极管亮度逐渐减弱，表明充电电流不断减小。通过实验，较为直观地发现电容器在充电时，电势差增大，电荷量增大，电流减小。 图8 电容器的充电过程实验现象 在电容器的放电过程，绿色二极管发光表明了电流的方向如图9所示，通过对电荷的定向移动情况分析可以判断此时电容器的电荷量在减小。再来对实验过程中几张照片进行对比，可以发现，电压表示数在不断减小，二极管亮度逐渐减弱，表明放电电流不断减小。通过实验，较为直观地发现电容器在放电时，电势差减小，电荷量减小，电流减小。 图9 电容器的放电过程实验现象 （3）实验2：探究电容器电荷量与电势差的定量关系 通过实验1发现，电容器电荷量与电势差有着密切的关系，它们二者之间存在怎么的定量关系呢？如果想要通过实验探究它们的关系，就需要解决测量电荷量这个问题。请同学们思考一下，在之前的学习中，有没有哪个实验中较为方便地测定电荷量呢？学生容易联想到库伦扭秤实验。根据教师的引导和和介绍，学生了解了自制教具的实验电路后就可以开始实验探究并记录数据（见图10和图11）。 图10 学生实验探究电容器电荷量与电势差的定量关系 图11 学生实验数据记录 通过实验，我们得到如表所示的一组数据。想要发现它们存在什么样的定量关系，我们可以采用作图法。以电荷量Q为纵坐标，以电势差U为横坐标，描出各数据点，可以发现这些数据点大致分布在一条直线上（见图12）。由此可以得出电容器的电荷量与电势差成正比的实验结论。对比不同小组的实验结果，我们可以发现，对于不同的电容器，这一结论普遍成立。 图12 电容器电荷量与电势差的关系 （4）电容的定义 我们将不同电容器的实验数据做在同一坐标系中，可以发现斜率不尽相同（见图13），即不同电容器的电荷量Q与电势差U的比值一般时不同的。若在图像中取同一横坐标值，发现纵坐标值不同，即两个电容器的电势差相等时，电容器2装的电荷量比电容器1多。 图13 不同电容器的的Q-U图像 图14 不同的容器 这就像两个底面积不同的水瓶在同一高度时所装水的体积不同一样（见图14）。可见，Q与U比值更大的电容器储存电荷的能力就越强。在物理学中，我们将这个比值定义为电容，用来表征电容器储存电荷量的能力大小。它的单位是法拉。 （5）常见的电容器 随后，教材通过文字形式简要说明了平行板电容器的电容与正对面积、板间距离和绝缘介质有关，并介绍了一些常见可变电容器和电容传感器。 （三）课堂小结 本节课的课堂小结如图15所示。 图15 课堂小结 八、实验效果评价 在本节课教学完成后，我也对本节课的设计与实施进行了反思。我认为我们的自制教具整合了多种实验功能，学生更易操作和观察，教师准备实验较为便捷，具有较好的实用价值。本实验教具采用开关稳压电源，使得电源输出电压稳定且可调节，便于多次实验。学生通过实验探究的方式，学生更能从物理本质角度理解电容比值定义，有利于物理观念的形成。当然由于时间关系，我们只是探究了电荷量等分变化的情况，这是基于特殊情况的探究。我们的教具还留有两个接口，可以让电荷量变化更加灵活，可供学生课后探究，实现从特殊到一般的探究，可以培养学生的发散性思维。 学科网（北京）股份有限公司 $$