1.8 电容器 电容（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理必修第三册（教科版2019）

第8节　电容器　电容 物理观念 科学探究 科学态度与责任 　　认识电容器的结构，知道电容器的充放电的过程，知道电容的概念、物理意义，知道影响平行板电容器的因素。 　　引导学生观察电容器充放电，充分利用现代手段丰富学生的感性认识。 　　提高学生的理性思维与科学研究方法。 一、电容器 1．储存电荷和电能的元件叫电容器。任何两个彼此绝缘又互相靠近的导体，就构成一个电容器。 2．电容器任一个极板带电荷量的绝对值叫作电容器的电荷量。 二、电容器的电容 一个电容器所带的电荷量Q与电容器两极间的电势差U成正比，比值是一个常量。它与电荷量Q和电压U无关，反映了电容器储存电荷的能力，叫作电容。电容的单位是法拉，简称法，符号是F。1 μF＝10－6 F，1 pF＝10－12 F。 三、平行板电容器的电容 平行板电容器两板之间的正对面积S越大，电容C越大；板间距离d越大，电容C越小；插入电介质后电容C增大。(即C＝，εr为电介质的相对介电常数) 四、 常用电容器 从构造上看可分为固定电容器和可变电容器。电容器能长期正常工作时所能承受的电压叫额定电压，电容器的电压超过某一限度，电介质被击穿，这个极限电压称为击穿电压。电容器外壳上标的是额定电压，比击穿电压低。 判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (1)电容器的电容表示其储存电荷的能力。(　　√　　) (2)电容器的电容与它所带的电荷量成正比。(　　×　　) (3)电容器的电容与它两极板间的电压成正比。(　　×　　) (4)电容器的带电量是指两个极板上所带电量的绝对值之和。(　　×　　) (5)任意两个彼此绝缘又靠近的导体都可以成为电容器。(　　√　　) (6)平行板电容器两极板之间的电场是匀强电场。(　　√　　) 备课札记 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 探究点一___电容器的充放电 观察电容器充放电实验 1．充电：开关接1，观察电压、电流变化，分析能量转化情况； 2．放电：开关接2，观察电压、电流变化，分析能量转化情况。 [问题设计] 充电过程中，电容器两个极板上各带什么电荷？极板之间存在电压么？放电的过程中，电阻R上会产生热量，是由什么转而来？从能量转化的角度来解释充电和放电过程。 提示：两个极板上带等量的异种电荷。极板之间存在电压。充电过程是储存电能的过程，放电过程是释放电能的过程。 1．电容器 (1)任意两个彼此绝缘又相距很近的导体，都可以看成一个电容器。 (2)电容器是一个储存电荷和电能的元件。 (3)电容器的带电量和电压：电容器充电后，两个极板上带等量异种电荷，电容器的带电量指一个极板上电量。两个极板之间的电势差称为电容的电压。 2．电容器的充放电 (1)电容器的充电过程 开关S接1时，电源给电容器充电，电容器带电量、电压逐渐增大，电流逐渐减小，最后电流为零，如图甲所示。 (2)电容器的放电过程 开关S接2时，电容器负极板上负电荷与正极板上正电荷中和，两极板的电荷量逐渐减小，电流逐渐减小，最后电压也逐渐减为零，如图乙所示。 【例1】 在“观察电容器的充、放电现象”实验中，所用器材如下：电池、电容器、电阻箱、定值电阻、小灯泡、多用电表、电流表、秒表、单刀双掷开关以及导线若干。 (1)用多用电表的电压挡检测电池的电压。检测时，红表笔应该与电池的__________(填“正极”或“负极”)接触。 (2)某同学设计的实验电路如图(a)所示。先将电阻箱的阻值调为R1，将单刀双掷开关S与“1”端相接，记录电流随时间的变化。电容器充电完成后，开关S再与“2”端相接，相接后小灯泡亮度变化情况可能是__________。(填正确答案标号) A．迅速变亮，然后亮度趋于稳定 B．亮度逐渐增大，然后趋于稳定 C．迅速变亮，然后亮度逐渐减小至熄灭 (3)将电阻箱的阻值调为R2(R2>R1)，再次将开关S与“1”端相接，再次记录电流随时间的变化情况。两次得到的电流I随时间t变化如图(b)中曲线所示，其中实线是电阻箱阻值为__________(填“R1”或“R2”)时的结果，曲线与坐标轴所围面积等于该次充电完成后电容器上的__________(填“电压”或“电荷量”)。 答案：(1)正极　(2)C　(2)R2　电荷量 解析：(1)多用电表红表笔流入电流，黑表笔流出电流，故电流表红表笔应该与电池的正极接触； (2)电容器充电完成后，开始时两极板电量较多，电势差较大，当闭合“2”接入小灯泡，回路立即形成电流，灯泡的迅速变亮；随着时间的积累，两极板电量变少，电势差变小，流过灯泡的电流减小，直至两极板电荷量为零不带电，则无电流流过小灯泡即熄灭。 (3)开始充电时两极板不带电，两极板电势差为零，设电源内阻为r，则开始充电时有E＝I(R＋r)，由图像可知开始充电时实线的电流较小，故电路中的电阻较大，因此电阻箱阻值为R2；图像的物理意义为充电过程中电流随时间的变化图线，故曲线与坐标轴所围面积等于该次充电完成后电容器上的电荷量。 [练1] 某小组利用如图甲所示装置进行“观察电容器的充、放电现象”实验，将开关S掷到1，给电容器充电，然后将开关S掷向2，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，如图乙所示。 (1)图乙中阴影部分的面积表示__________。 A．0.1 s内回路消耗的电能 B．0.1 s内通过电阻R的电荷量 C．0.1 s内电容器两端电压变化量 (2)若将图甲电路中的电阻用阻值更大一些的电阻代替，其他保持不变，则电容器的放电时间__________(填“变长”“不变”或“变短”)。 答案：(1)B　(2)变长 解析：(1)阴影部分面积是电流I和时间t的乘积，表示相应时间内通过电阻的电荷量。 (2)换用阻值更大一些的电阻后，放电电流相应变小，电容器所带电荷量不变的情况下，放电时间变长。 探究点二___电容 1．物理意义：描述电容器储存电荷能力的物理量。 2．定义： 电容器所带电量与极板间电势差的比值。 3．定义式：C＝。 4．单位：法拉，简称法，符号F。常用单位微法(μF)和皮法(pF)。 1 F＝1×106 μF＝1×1012 pF 5．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。 6．电容是电容器本身的一种属性，大小由电容器自身的构成情况决定，与电容器是否带电、带多少电荷量均无关。 【例2】 根据电容器的电容的定义式C＝，可知(　　) A．电容器带电的电量Q越多，它的电容C就越大，C与Q成正比 B．电容器不带电时，其电容为零 C.电容器两极板之间的电压U越高，它的电容C就越小，C与U成反比 D．无论电容器的电压如何变化(小于击穿电压且不为零)，它所带的电荷量Q与电压U的比值恒定不变 D　解析：公式C＝是定义式，电容器的电容仅与电容器本身有关，与电容器所带电荷量无关，与电容器两端的电压无关，无论电容器的电压如何变化(小于击穿电压且不为零)，它所带的电荷量Q与电压U的比值恒定不变，D正确，ABC错误。 [练2] (多选)由电容器电容的定义式C＝可知(　　) A．若电容器不带电，则电容C为零 B．电容C与电容器所带电荷量Q成正比 C．电容C与所带电荷量Q无关 D．电容在数值上等于使两板间的电压增加1 V时所需增加的电荷量 CD　解析：电容器电容的定义式C＝是比值定义式，电容与电容器带电荷量及两端电压无关，由电容器本身决定，故A、B错误，C正确；由电容器电容的定义式C＝＝可知，电容在数值上等于使两板间的电压增加1 V时所需增加的电荷量，D正确。 探究点三___常见的电容器 电容式触摸屏的结构示意图如图所示。 [问题设计] (1)若电容器两极板间电压不变，极板间距离减小，电容器所带电荷量如何变化？ (2)若电容器所带的电荷量不变，极板间距离减小，电容器两极板间的电压如何变化？ 提示：(1)电压不变，距离减小，电容变大，电荷量变大； (2)电荷量不变，距离减小，电容变大，电压减小。 1．平行板电容器 (1)由两块彼此绝缘的平行导体板组成。电路符号： (2)平行板电容器的电容：与两极板正对面积S成正比，与板间距离d成反比，与两极板之间电介质的介电系数εrS成正比。C＝。 2．其他电容器 (1)纸质电容器：两层铝箔间夹入在石蜡中浸过的纸。铝箔为极板，电介质是纸。 (2)电解电容器：利用电解现象在铝箔上产生很薄的氧化绝缘层作为电介质。有固定的极性，使用时不能接反。 (3)可变电容器：通过改变两极板的正对面积改变电容的大小。 3．击穿电压和额定电压：电容器两极板间的电压超过击穿电压，绝缘介质被击穿，电容被损坏。额定电压是指电容器正常工作的电压。额定电压比击穿电压低很多。 【例3】 如图所示是研究平行板电容器的电容大小与哪些因素有关的实验装置。将充好电的平行板电容器与电源断开并将左金属板接地，另一板与外壳接地的静电计相连。若两板间距为d，其电容为C，指针偏角为θ，则以下对该实验现象以及解释判断正确的是(　　) A．增大d，θ增大，说明C随d的增大而减小 B．增大d，θ减小，说明C随d的增大而增大 C．增大S，θ增大，说明C随S的增大而增大 D．增大S，θ减小，说明C随S的增大而减小 A　解析：增大d，θ增大，说明电容器板间电势差U增大，电容器所带电量Q不变，由电容的定义式C＝分析得知，电容C减小，说明C随d的增大而减小，A正确，B错误；增大S，θ减小，说明电容器板间电势差U减小，电容器所带电量Q不变，由电容的定义式C＝分析得知，电容C增大，说明C随S的增大而增大，CD错误。 [练3] (2024·辽宁卷)某种不导电溶液的相对介电常数εr，与浓度Cm的关系曲线如图(a)所示，将平行板电容器的两极板全部插入该溶液中，并与恒压电源，电流表等构成如图(b)所示的电路。闭合开关S后，若降低溶液浓度，则(　　) A．电容器的电容减小 B．电容器所带的电荷量增大 C．电容器两极板之间的电势差增大 D．溶液浓度降低过程中电流方向为M→N B　解析：降低溶液浓度，不导电溶液的相对介电常数εr增大，根据电容的决定式C＝可知电容器的电容增大，A错误；溶液不导电没有形成闭合回路，电容器两端的电压不变，根据Q＝CU结合A分析可知电容器所带的电荷量增大，B正确，C错误；根据B分析可知电容器所带的电荷量增大，则给电容器充电，结合题图可知电路中电流方向为N→M，D错误。 1．开关S接至1端，其电容C与所带电荷量Q之间的关系，下列图像中正确的是(　　) 　　　　　 　　　　　 C　解析：开关S接至1端，电容器开始充电，极板上的电荷逐渐增多，最后达到最大值，但电容器的电容由电容器本身决定，与电荷的多少无关，所以C－Q图像是一条水平直线。C正确。 2．据报道，我国每年心源性猝死案例高达55万，而心脏骤停最有效的抢救方式是尽早通过AED自动除颤机给予及时治疗。某型号AED模拟治疗仪器的电容器电容是15 μF，充电至9 kV电压，如果电容器在2 ms时间内完成放电，则下列说法正确的是(　　) A．电容器放电过程的平均电流强度为67.5 A B．电容器的击穿电压为9 kV C．电容器充电后的电量为135 C D．电容器充满电的电容是15 μF，当放电完成后，电容为0 A　解析：根据电容的定义式C＝ 解得Q＝15×10－6×9×103 C＝0.135 C 故放电过程的平均电流强度为I＝＝ A＝67.5 A，A正确，C错误；当电容器的电压达到击穿电压时，电容器将会损坏，所以9 kV电压不是击穿电压，B错误；电容器的电容与电容器的带电荷量无关，所以当电容器放完电后，其电容保持不变，D错误。 3．如图所示，某同学在用传感器观察电容器放电过程中发现，开始放电前电容器两极板间的电势差为8.0 V，当电容器带的电荷量减少4.0×10－8 C时，两极板间的电势差减小为6.0 V，则实验所使用的电容器的电容是多少(　　) A．5×10－3 μF B．×10－2 μF C．2×10－2 μF D．实验前后电容发生变化，无法确定 C　解析：由公式C＝＝可得C＝＝2.0×10－8 F＝2.0×10－2 μF，C正确，AB错误；电容器的电容只与本身有关系，与其两端的电压无关，与所带电荷量无关，其大小可以用电荷量与电势差的比值计算，D错误。 4．电容器是一种重要的电学元件，它能够储存电荷。电容器储存电荷的特性用电容表征。如图所示，在研究电容器充、放电的实验中，使开关S掷向1端，电源E对电容器C充电。下列图像中，能正确反映电容器充电过程中电流与时间、电荷量与电压关系的是(　　) 　　　　　 　　　　　 A　解析：充电过程中随着电容器电荷量的增加，充电电流越来越小，充满以后电流为零，A正确，B错误；根据C＝可知，电容器的电容大小不变，则q－U图像是一条过原点的直线，CD错误。 [课时梯级训练(8)见P138] 学科网（北京）股份有限公司 $$