内容正文:
DIYIZHANG
第一章
8 电容器 电容
学习目标
1.知道什么是电容器及平行板电容器的主要构造(重点)。
2.理解电容的概念及其定义式,能应用其定义式进行简单计算(重难点)。
3.观察电容器充电和放电现象,了解其能量转换。
4.了解常见的电容器。
5.掌握平行板电容器两类动态变化问题的分析方法(重难点)。
2
内容索引
一、电容器
二、电容 常见的电容器
三、实验:观察电容器的充放电现象
课时对点练
四、平行板电容器及其动态变化
3
一
电容器
4
1.构造:任何两个 又互相靠近的导体都可以看成一个电容器,是储存电荷和电能的元件。
2.平行板电容器:两块彼此隔开 放置的金属板构成一个最简单的电容器,叫作平行板电容器。这两块金属板称为电容器的两极。
3.电容器的电荷量: 所带电荷量的 。
4.电容器的充放电
(1)充电:把电容器的两极板分别与电源的两极相连,两个极板分别带上
电荷的过程。充电过程中,由电源获得的 储存在电容器中。
(2)放电:用导线把充电后的电容器的两极板连接,两极板上的异种电荷
的过程。放电过程中, 转化为其他形式的能量。
彼此绝缘
平行
任意一块极板
绝对值
电能
中和
电能
等量异种
(1)电容器只能储存同种电荷。( )
(2)任何绝缘的物质都能作为电介质。( )
(3)电容器带电时,两个极板只有一个板上有电荷。( )
×
×
√
辨析
在如图所示实验中,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
例1
√
开关接1时,平行板电容器充电,上极板与电源正极相连,故上极板带正电,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。
二
电容 常见的电容器
8
1.电容
(1)定义:电容器所带 与电容器两极板间的 的比值,叫作电容器的电容。
(2)定义式: (比值定义法)
Q指 个极板所带电荷量的绝对值。
(3)单位:电容的国际单位: ,简称: ,用字母 表示,常用的单位还有 和 ,1 F= μF= pF。
(4)物理意义:描述电容器储存电荷能力的物理量。
电荷量Q
电势差U
一
法拉
法
F
微法
皮法
106
1012
(5)由 表明,电容器的电容在数值上等于两极板间的电势差为_____
时电容器所带的电荷量。
2.常见的电容器
(1)分类:分为 电容器和 电容器两类。
(2)固定电容器: 电容器、 电容器、 电容器、 电容器等。
(3)可变电容器是由两组金属片组成,固定不动的一组金属片叫作 ,可以转动的一组金属片叫作 。转动动片,两组金属片的__________
发生变化,电容就会随着改变。
1 V
固定
可变
纸质
电解
云母
陶瓷
定片
动片
正对面积
(4)电容器的额定电压和击穿电压
①击穿电压:加在电容器两极间的电压不能超过某一限度,超过这一限度,绝缘介质将被击穿,致使电容器损坏,这个 叫作击穿电压。
②额定电压:指电容器 所能承受的最大电压,它比击穿电压要
。
(5)电容器符号:
极限电压
正常工作
低许多
(1)电容器的电容跟它所带电荷量成正比。( )
(2)对于确定的电容器,它所带电荷量跟它两极板间电压的比值保持不变。( )
(3)同一个电容器额定电压和击穿电压相等。( )
(4)当加在电容器的电压超过额定电压时,电容器将被击穿。( )
×
×
√
×
辨析
(2022·普陀中学高二期中)心室纤颤是一种可危及生命的疾病。如图所示为一种叫作心脏除颤器的设备,某型号AED模拟治疗仪器的电容器电容是25 μF,充电至6 kV电压,如果电容器在3 ms时间内完成放电,则下列说法正确的是
A.电容器充电后的电容是25 μF,当放电完成后电容为0
B.电容器的击穿电压为6 kV
C.电容器充满电的电荷量是1.5 C
D.电容器充满电的电荷量是0.15 C
例2
√
电容器的电路与电容器的带电荷量无关,放电后
电容不变,故A错误;
电容器铭牌上的电压为额定电压,所以根据题
意可知电容器的额定电压为6 kV,而击穿电压要比6 kV高,故B错误;
根据电容定义式可得电容器充满电的电荷量为Q=CU=25×10-6×
6 000 C=0.15 C,故C错误,D正确。
有一充电的平行板电容器,两板间的电势差为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全部放掉,电容器的电容是多大?
例3
答案 150 μF 4.5×10-4 C 150 μF
设电容器原来所带的电荷量为Q,则Q=CU=1.5×10-4×3 C=4.5×10-4 C。
电容器的电容是由电容器本身决定的,与是否带电无关,所以电容器放掉全部电荷后,电容仍然是150 μF。
总结提升
电容器电容的另一表达式
如图所示,Q-U图像是一条过原点的直线,其中Q
为一个极板上所带电荷量的绝对值,U为两板间的
电势差,直线的斜率表示电容大小。因此C= ,
即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所增加(或减小)的电荷量。
三
实验:观察电容器的充放电现象
18
按如图所示电路图连接电路,其中C是电容器,E是直流电源,S是单刀双掷开关。R是电阻,它的作用是为了防止充放电时电流过大而损坏电
流表。G是灵敏电流表,它的零刻度线位于刻度盘的中间。
(1)把开关S扳到1,观察电容器充电时的电流方向及电流变化情况。
答案 电容器充电时,流经G表的电流方向为向右,充电开始时电路中的电流比较大,随着极板上电荷的增多,电流逐渐减小。
(2)把开关S扳到2,观察电容器放电时的电流方向及电流变化情况。
答案 电容器放电时,流经G表的电流方向为向左,放电开始时电路中的电流比较大,随着极板上电荷的减少,电流逐渐减小。
图甲为研究平行板电容器的放
电电流随时间变化关系的电路,
将单刀双掷开关自接线柱1移至2
后,计算机显示的电流I随时间t
变化的图像如图乙所示。已知该电容器的电容为7×10-4 F,则放电前电容器两极板间的电势差约为
A.0.75 V B.1.5 V C.3.0 V D.7.0 V
例4
√
四
平行板电容器及其动态变化
23
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:
答案 实验结论:S减小,电势差U增大,电容C减小。
答案 实验结论:d增大,电势差U增大,电容C减小。
答案 实验结论:插入电介质,电势差U减小,电容C增大。
1.静电计实质上也是一种验电器,把验电器的金属球与一个导体连接,金属外壳与另一个导体相连(或者金属外壳与另一个导体同时接地),从验电器指针偏转角度的大小可以推知两个导体间电势差的大小。
2.平行板电容器的电容
平行板电容器的电容C与极板的正对面积S及极板间的电介质的相对介电常数εr成正比,与极板间距离d成反比。
梳理与总结
4.平行板电容器动态问题的分析方法
抓住不变量,分析变化量,紧抓三个公式:
5.平行板电容器的两类典型问题
(2023·成都市高二期末)如图为某同学制作的风力传感器,一平行金属板电容器充电后与电源断开,正极板固定且与静电计连接,可动极板与静电计外壳均接地,两极板间有一个负检验电荷固定在P点。风力越大,可动极板向右移动的距离越大(可动极板始终在P点左侧),则
A.电容器的电容越小
B.静电计的指针张角越小
C.极板间的电场强度越大
D.P点的负检验电荷的电势能越小
例5
√
根据匀强电场中电势差与电场强度的关系,P点与可动极板的电势差UP0=EdP0=φP-0>0可知,dP0越小,φP越小,根据P点电势能表达式EP=qφP,q<0可知,P点的负检验电荷的电势能EP越大,故D错误。
(2022·眉山市高二期中)如图所示,平行板电容器与电动势为E′的直流电源(内阻不计)连接,下极板接地,静电计所带电荷量很少,可被忽略。一带负电的油滴被固定于电容器中的P点。现将平行板电容器的上极板竖直向下平移一小段距离,则下列说法正确的是
A.平行板电容器的极板所带电荷量不变
B.静电计指针张角变小
C.带电油滴的电势能减小
D.若将上极板与电源断开后再将下极板左移一小段距离,则油滴所受电
场力不变
例6
√
=CU可得,平行板电容器的极板所带电荷量Q变大,故A错误;
静电计指针张角表示两极板间电势差的变化,两极板间电势差不变,则静电计指针张角不变,故B错误;
五
课时对点练
考点一 电容器和电容
1.(多选)(2022·邯郸一中高二学业考试)下列关于电容器及电容的叙述正确的是
A.任何两个彼此绝缘而又相距很近的导体,都能组成电容器,跟这两个
导体是否带电无关
B.电容器所带的电荷量是指每个极板所带电荷量的代数和
C.电容器的电容与电容器所带电荷量成反比
D.一个电容器所带的电荷量增加ΔQ=1.0×10-6 C时,两极板间电压升
高10 V,则该电容器的电容为1.0×10-7 F
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基础对点练
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据电容的定义可知,任何两个彼此绝缘而又相距很近的导体,都能组成电容器,跟这两个导体是否带电无关,A正确;
电容器所带的电荷量是指一个极板所带电荷量的绝对值,B错误;
电容器的电容与电容器所带电荷量及两极板间的电压均无关,C错误;
2.(多选)有一只电容器的规格是“1.5 μF 9 V”,则该电容器
A.正常工作时所带电荷量不能超过1.5×10-5 C
B.正常工作时所带电荷量不能超过1.35×10-5 C
C.额定电压为9 V
D.击穿电压为9 V
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9 V为电容器的额定电压(或工作电压),且额定电压低于击穿电压,故C正确,D错误;
正常工作时所带电荷量最大为Q=CU=1.5×10-6×9 C=1.35×10-5 C,故A错误,B正确。
3.(2023·北京市第十一中学高二期中)对于某个给定的电容器,图中描述其所带电荷量Q、两板间的电势差U、电容C之间相互关系错误的是
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电容器的电容由电容器本身决定,与电容器所带电荷量无关,故C-Q图像为一条平行于横轴的直线,故A错误,B正确;
电容器的电容由电容器本身决定,与电容器两极板间电势差无关,故U-C图像为一条平行于纵轴的直线,故D正确;
考点二 实验:观察电容器的充放电现象
4.(2023·四川雅安中学高二阶段练习)在“观察电容器的充放电现象”实验中:
把干电池E、电阻箱R、电容器C、电流表G、单刀双掷开关S按图甲电路图连成实验电路如图乙所示,将电阻箱R调到合适阻值。
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(1)先使开关S接1,电源给电容器充电,观察到电流表指针偏转情况为_____;
A.逐渐偏转到某一刻度后保持不变
B.逐渐偏转到某一刻度后迅速回到0
C.迅速偏转到某一刻度后保持不变
D.迅速偏转到某一刻度后逐渐减小到0
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D
使开关S接1,电源给电容器充电,电
路瞬间有了充电电流,随着电容器所
带电荷量逐渐增大,电容器两极板间
的电压逐渐增大,充电电流逐渐减小,
所以此过程中观察到电流表指针迅速偏转到某一刻度后逐渐减小到0,D正确。
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(2)电容器充电完毕,断开开关,此时如图甲所示电路图中电容器上极板________(填“带正电”“带负电”或“不带电”);
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带正电
由题图甲可知,电容器上极板与电源正极相连,故电容器充电完毕,断开开关,电容器上极板带正电。
(3)然后将开关S接2,电容器放电。在放电过程中,电流________(填“向左”或“向右”)流过电阻箱R,若该电流大小为i,电容器所带电荷量为Q,电容器两极板间电势差为U,电容器的电容为C。下面关于i、Q、U、C随时间t变化的图像,正确的是______。
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向右
B
在放电过程中,电流向右流过电阻箱R;放电过程中,电容与电容器所带电荷量和电容器极板间电势差没有关系,可知电容器电容保持不变,D错误;
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考点三 平行板电容器及其动态变化
5.关于平行板电容器的电容,下列说法正确的是
A.跟两极板的正对面积S有关,S越大,C越小
B.跟两极板的间距d有关,d越大,C越小
C.跟两极板上所加电压U有关,U越大,C越大
D.跟两极板上所带电荷量Q有关,Q越大,C越大
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电容器的电容与两极板上所加电压U及电容器所带的电荷量Q均无关,C、D错误。
6.(2022·天津市第二南开中学高二阶段练习)板间距为d的平行板电容器所带电荷量为Q时,两极板间电势差为U1,板间电场强度为E1。现将电容器所带电荷量变为2Q,板间距变为 d,其他条件不变,这时两极板间电势差为U2,板间电场强度为E2,下列说法正确的是
A.U2=U1,E2=2E1 B.U2=2U1,E2=4E1
C.U2=U1,E2=E1 D.U2=2U1,E2=2E1
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7.(2023·泸州市高二期中)如图所示的装置由绝缘框架MN、固定不动的金属板a、能在声波驱动下沿水平方向振动的金属膜b构成,a、b通过导线与电源两极及灵敏电流计G相接。当声源在空气中发出声音时,灵敏电流计G显示出相应的电流信息,则
A.b板振动过程中,a、b板所带的电荷量不变
B.b板振动过程中,a、b板间的电场强度发生变化
C.b板振动过程中,电流表指针偏转方向始终不变
D.b板向右的位移最大时,a、b板所构成的电容器的电容最小
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b板振动过程中电容不断充电、放电,故电流表指针偏转方向发生变化,C错误;
b板向右的位移最大时,a、b板间距最小,所构成的电容器的电容最大,D错误。
8.(多选)(2022·永安市第九中学高二阶段练习)一平行板电容器充电后与电源断开,负极板接地,在两极板间有一正电荷,电荷量足够小,固定在P点,如图所示。若保持负极板不动,将正极板移到图中虚线位置,则
A.静电计指针偏角变小
B.两极板间的电场强度保持不变
C.P点的电势变大
D.在P点的正电荷电势能保持不变
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则由U=Ed知,P与负极板间的电势差不变,则P点的电势不变,正电荷在P点的电势能不变,故C错误,D正确。
9.(多选)(2023·内江市高二统考期末)如图,一位同学用底面半径为r的圆桶形塑料瓶制作了一种电容式传感器,用来测定瓶内溶液深度的变化。瓶的外壁涂有一层导电涂层和瓶内导电溶液构成电容器的两极,它们通过探针和导线与电源、电流计、开关相连,中间的一层塑料为绝缘电介质,其厚度为d,相对介电常数为εr,若发现在某段时间t内有大小为I的电流从下向上流过电流计,设电源电压恒定为U。则下列说法中正确的是
A.瓶内液面降低了
B.电容器的电容变大
C.电容器在这段时间内充电
D.电容器在这段时间内放电
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10.如图所示是一个平行板电容器,其电容为C,带电荷量为Q,上极板带正电,两极板间距为d。现将一个带正电且电荷量为q的试探电荷由两极板间的A点移动到B点,A、B两点间的距离为s,AB连线与极板间的夹角为30°,则电场力对该试探电荷所做的功等于
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11.(多选)(2023·惠来县第一中学高二期中)如图,平行板电容器与直流电源连接,电源正极接地。初始电容器不带电,闭合开关,电路稳定后,一个带电油滴位于电容器中的P点且处于静止状态。下列说法正确的是
A.带电油滴带正电
B.保持开关闭合,上极板下移,带电油滴向上运动
C.保持开关闭合,上极板上移,P点电势降低
D.电路稳定后,断开开关,下极板下移,带电油滴保持静止
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电容器上极板与电源正极相连,上极板带正电,油滴受到的电场力方向向上,则油滴带负电,故A错误;
同理,保持开关闭合,电容器两极板间电压不变,上极板上移,两板间距离变大,电场强度变小,P点到下极板的距离不变,根据U=Ed可知P到下极板的电势差变小,而下极板的电势不变,则P点的电势降低,故C正确;
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12.如图所示,水平金属板A、B分别与电源两极相连,带电油滴处于静止状态。现将B板右端向下移动一小段距离,两金属板表面仍均为等势面,则该油滴
A.仍然保持静止 B.竖直向下运动
C.向左下方运动 D.向右下方运动
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两极板平行时带电油滴处于平衡状态,则重力大小等于电场力大小,当B板右端向下移动一小段距离,油滴处板间距离增大,电场强度减小,电场力小于重力。由于电场线垂直于金属板表面,所以油滴处
的电场线如图所示,所以重力与电场力的合力偏向右下方,故油滴向右下方运动,选项D正确。
13.一平行板电容器充电后与电源断开,负极板接地。两极板间有一个正试探电荷固定在P点,如图所示。以C表示电容器的电容、E表示两极板间的电场强度、φ表示P点的电势、Ep表示正电荷在P点的电势能。若正极板保持不动,将负极板缓慢向右平移一小段距离x0的过程中,各物理量与负极板移动距离x的关系图像正确的是
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尖子生选练
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在负极板接地的情况下,设P点最初到负极板的距离为l,则负极板向右平移后P点的电势为φ=E(l-x),即φ-x图像为向下倾斜的直线,C正确;
正试探电荷在P点的电势能Ep=qφ=qE(l-x),即Ep-x图像为向下倾斜的直线,D错误。
BENKEJIESHU
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C=
C=
电容器两极板间的电势差的变化量为ΔU=U
=×3 V=2 V,由C=,得C= F=1.5
×10-4 F=150 μF。
根据图像的含义,因Q=It,
所以图线与横轴所围成的面
积表示电容器的所释放的电
荷量;根据横轴与纵轴的数
据可知,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21,所以释放的电荷量是Q=0.1×10-3×21 C=2.1 ×10-3 C,
根据C=,则极板间的电势差U==3.0 V,A、B、D错误,C正确。
(1)如图所示,保持Q和d不变,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。
即C=。
3.C=与C=的比较
公式
内容
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,反映了电容器容纳电荷的本领
平行板电容器,C∝εr,C∝S,C∝,反映了影响电容器电容大小的因素
C=、E=和C=
(1)开关S保持闭合,两极板间的电势差U恒定,Q=CU=∝,E=∝。
(2)充电后断开S,电荷量Q恒定,U==∝,E==∝。
平行金属板充电后与电源断开,电荷量Q不变,
根据电容的决定式C=可知,风力越大,可
动极板向右移动的距离越大,平行金属板的距离d越小,电容C越大,故A错误;
根据电容的定义式C=可知,Q不变,C越大,U越小,即静电计的指针张角越小,故B正确;
根据电场强度的表达式E====可知,E不变,故C错误;
由C=可知,平行板电容器的上极板竖直向
下平移一小段距离后,d变小,S不变,C变大;又由题意可知,极板两端的电压U不变,由Q
由题意可得,电势差不变,d变小,则E=可得电场强度E变大,
P点与下极板的电势差增大,与上极板的电势差减小,由于油滴带负电,所以带电油滴的电势能减小,故C正确;
由上述分析可得E===,若将上极板与电源断开后再将下极板左移一小段距离后,Q不变,S变小,则E变大,则油滴所受电场力变大,故D错误。
一个电容器所带的电荷量增加ΔQ=1.0×10-6 C时,两极板间电压升高10 V,则该电容器的电容为C==1.0×10-7 F,D正确。
根据电容定义式C=可得Q=CU,可知Q-U图像为一条过原点的倾斜直线,故C正确。
放电过程中,电容器所带电荷量逐渐减小,根据电容定义式C=,可知电容器极板间电势差逐渐减小,则放电电流逐渐减小,根据i=,可知Q-t图像的切线斜率绝对值逐渐减小,B正确,A、C错误。
由电容决定式C=可知,电容与两极板的正对面积S有关,S越大,C越大,A错误;
由电容器的电容决定式C=可知,电容与两极板的间距d有关,d越大,C越小,B正确;
设板间距为d的平行板电容器的电容为C1,则根据C=可得,板间距变为d后,电容器的电容为C2=2C1,根据电容器电容的定义式C=,可得板间距变为d后,两极板间电势差为U2===U1,则板间距变为d后,两极板间电场强度为E2===2E1,故选A。
由C=,Q=CU可知,电容器的电容随两极板间距离的变化而变化,可知a、b板所带电荷量发生变化,A错误;
b板在声波驱动下沿水平方向振动,两极板间的距离发生
变化,两极板与电源相连,电势差恒定,由E=可知,a、b板间的电场强
度发生变化,B正确;
由题意知:平行板电容器充电后与电源断开,电
容器的带电荷量Q不变,根据C=,以及两
板间距d变大,可知C减小,根据Q=CU可知,U变大,即静电计指针偏角变大,选项A错误;
由C=、C=、E=,可得E=,可知两极板间电场强度E不变,故B正确;
根据C===,电流从下向上流过电流计,说明电容器放电,根据C=说明电容减小,则h也在减小,瓶内液面降低了,故选A、D。
A. B.
C. D.
电容器两极板间电势差为U=,电场强度为E=
=。而A、B两点间电势差为UAB=Es·sin 30°
=,电场力对该试探电荷所做的功为W=qUAB
=,故选C。
保持开关闭合,电容器两极板间电压不变,上极板下移,两板间距离减小,根据E=可知电场强度增大,则带电油滴向上运动,故B正确;
电路稳定后,断开开关,电容器电荷量不变,根据
C=、C=可得电场强度为E=,下极板
下移,电场强度不变,带电油滴受力情况不变,带电油滴保持静止,故D正确。
在电容器两极板所带电荷量一定的情况下,U=,E=
=,E与d无关,即与x无关,E-x图像为平行于横轴的直线,B错误;
由C=可知d减小时,C变大,但不是一次函数关系,A错误;
$$