2.1.1 电容器与电容　实验：观察电容器的充放电现象 课件 -2024-2025学年高二上学期物理粤教版（2019）必修第三册

第一节　第1课时　电容器与电容　 实验：观察电容器的充放电现象 第二章　静电场的应用 1 知道什么是电容器及电容器的主要构造。 2 理解电容的概念及其定义式。 3 知道电容器充、放电的实验原理和实验电路。 重难点 手机闪光灯-常亮（手电筒模式） 手机闪光灯-闪光模式 为什么两种模式亮度明显不同？ ↓ 用电池供电 ↓ 用电容器供电 说明：闪光模式在不到0.001s的短暂时间内发出强烈闪光，瞬间电流很大， 各种电池都不能承受 导入 水可以用容器储存起来，电荷也可以用一个“容器”储存起来。图中的元件就是这样的“容器”——电容器。 那么它的内部结构是怎样的？ 它是怎样“装进”和“倒出”电荷的呢？ 导入 识别电容器　电容器的充放电 一 1752年，富兰克林利用风筝将“天电”引下来，收集到莱顿瓶中两个正对的金属板上。像莱顿瓶这种能把电荷储存起来的电学元件称为电容器，思考电容器为什么能储存电荷？ 导体间存在电场，电荷因受静电力的作用而储存在导体上。 识别电容器 观察与思考 (1)电容器的组成：两个互相_____、彼此_____的导体， 导体间可以填充_________________。 (2)电容器的表示 在电路中，电容器用字母“____”及电路符号“______”表示。 (3)电容器的作用：储存_____和电场能。 (4)常见电容器，如图所示。 电容器 电介质 电容器的极板 电容器的极板 靠近 绝缘 绝缘物质(电介质) C ┤├ 电荷 (5)电容器的应用 日光灯启辉器、电视机、照相机、电容式键盘、手机触摸屏中都有电容器。 电容器 电容器的充放电现象 U + + + + + + -Q +Q - - - - - - - Q↑、U ↑、E ↑ 稳定后不变 G 电能 电场能 + + + + + + Q +Q U G ↓Q↓、U ↓、E ↓ 稳定后均为零 其他 电场能 2.电容器的放电 1.电容器的充电 观察与思考 (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容器的电介质。(　　) (3)电容器带电时，两个极板只有一个板上有电荷。(　　) (4)电容器的充、放电过程中，电路中有充电、放电电流，电路稳定时，电路中没有电流。(　　) × √ × √ 易错辨析 1.(2023·潮州市高二期中)在如图所示的电路中，对电容器进行充、放电，下列说法正确的是 A.开关接1时，电容器充电，且上极板带正电 B.开关接1时，电容器放电，且上极板带负电 C.开关接2时，电容器充电，且上极板带正电 D.开关接2时，电容器放电，且上极板带负电 √ 例题 电容器的电容 二 如图所示，不同容器容纳液体的本领不同。均注 入单位长度的液体，横截面积大的容器容纳液体 的本领大。 同理，不同的电容器容纳电荷的本领不同。同一 电容器两板间所加电压越大，电容器容纳的电荷越多。请思考如何比较电容器容纳电荷的本领，如何用比值定义法定义这个物理量。 可在不同电容器两板间均加单位电压，容纳电荷多的电容器容纳电荷的本领大。可将电容器所带电量与两极板间电压的比值定义为电容，表征电容器容纳电荷的本领。 电容器的电容 (1)定义：电容器所带________与电容器两极板间的_______之比。 (2)定义式：C＝____。 (3)单位：电容的国际单位是_____，简称____，符号是____，常用的单位还有_____和_____，1 F＝_____ μF＝_____ pF。 (4)物理意义：电容器的电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量。 电量Q 电压U 法拉 法 F 微法 皮法 106 1012 (5)公式C＝ 表明，电容器的电容在数值上等于使两极板间的电势差为_____时电容器需要带的电量。 2.击穿电压和额定电压 (1)击穿电压：电介质不被击穿时加在电容器两极板上 的极限电压，若电压超过这一限度，电容器就会损坏。 (2)额定电压：电容器外壳上标的电压是工作电压(或称额定电压)，也是电容器正常工作时所能承受的最大电压。 (3)额定电压比击穿电压____。 1 V 低 电容器的电容 1.把电容器的两个极板分别与电源两极相连，对电容器进行充电，该过程中能量是如何转化的？当把电容器两极相接，使电容器放电，该过程中能量是如何转化的？ 充电过程中电源内的化学能转化为电容器内的电场能；放电过程中电容器的电场能转化为电路中其他形式的能量。 2.当电容器的带电量增加时，电容器两极板间的电势差如何变化？带电量Q和板间电势差U的比值是否发生变化？ 增大，不变。 讨论与交流 2.(2024·广州市高二月考)某电容器的外壳上标有“1.5 μF　9 V”的字样。该参数表明 A.该电容器只有在电压为9 V时电容才为1.5 μF B.当两端电压为4.5 V时，该电容器的电容为0.75 μF C.该电容器正常工作时所带电荷量不超过1.5×10－6 C D.给该电容器充电时，电压每升高1 V，单个极板的电荷量增加1.5×10－6 C √ 例题 3.(2023·江门市高二期末)如图所示为某一电容器中所带电量和两端电压之间的关系图线，若将该电容器两端的电压从40 V降低到36 V，关于该电容器，下列选项正确的是 A.是充电过程 B.该电容器两板间电场强度增大 C.该电容器的电容为5.0×10－3 F D.该电容器的电量变化量的绝对值为0.20 C √ 1.电容器的电容取决于电容器本身，与电容器所带的电量Q以及两极板间的电势差U均无关。 2.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)的电量。 总结提升 实验：观察电容器的充、放电现象 三 电容器的充放电现象 如图所示为实验原理图，其中R＝10 kΩ，电容器C标有“50 μF”，耐压为25 V，电源为1节干电池。实验时，将电流传感器和电压传感器采集的数据传输给计算机，计算机通过对数据进行分析和处理，得到电容器充、放电过程中的U－t图像和I－t图像，如图所示。 (1)通过实验现象分析电容器在充电和放电的过程中，电路中电流和电压的变化情况； (2)判断电容器在充电和放电的过程中，两极板储存电量的变化情况。 (1)对于电流，充电过程：充电电流由电源的正极流向电容器的正极板，同时从电容器的负极板流向电源的负极，充电电流逐渐减小，最后为零；放电过程：放电电流由电容器的正极板经过电阻R流向电容器负极板，放电电流逐渐减小，最后为零。 对于电压，充电过程：板间电压迅速增大，随后逐渐稳定在某一数值；放电过程：电容器两极板间电压迅速减小，随后逐渐减小为零。 (2)充电过程：电量增加；放电过程：电量减少。 一位同学用电流传感器观察电容器放电过程电流的变化情况得到的I－t图像如图所示，电源电压是8 V。 (1)在图中画一个竖立的狭长矩形(在图的最左边)，它的面积表示的物理意义是什么？ (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量？试着算一算。 注意：“面积”的计算：计算格子数，小于半格的舍去，大于半格的算一格。 0～0.2 s内电路中流过的电量。 计算图线与横轴间的面积，约为41格，Q＝3.28×10－3 C。 讨论与交流 4.(2024·广东真光中学高二月考)电容器是一种重要的电学元件，在电工、电子技术中应用广泛。使用图甲所示电路观察电容器的充、放电过程。电路中的电流传感器可以捕捉瞬时的电流变化，它与计算机相连，可显示电流随时间的变化。图甲直流电源两端的电压恒为8 V，充电前电容器带电量为零。先使S与“1”端相连，电源向电容器充电。充电结束后，使S与“2”端相连，直至放电完毕。计算机记录的电流随时间变化的I－t曲线如图乙所示。 (1)在电容器放电过程中，通过电 阻R0的电流方向为_________(选 填“由左向右”或“由右向左”)； 由左向右 例题 (2)图像阴影为I－t曲线图像与对应时间轴所围成的面积，乙图中阴影部分的面积S1_____S2(选填“>”“<”或“＝”)； ＝ (3)已知S1＝1 233 mA·s，则该电容器的电容为______法拉(保留两位有效数字)； 0.15 (4)由甲、乙两图可判断阻值R1_____R2(选填“>”“<”或“＝”)。 < (5)关于电容器在整个充、放电过程中的q－t图像和UAB－t图像的大致形状，下列选项图中可能正确的是______(q为电容器极板所带的电荷量，UAB为电容器两板的电势差)。 AD 一、识别电容器　电容器的充放电 常见的电容器 二、电容器的电容 1.电容定义：电容器所带电量Q与电容器两极板间的电势差U的比值。 2.单位：法拉 符号是F 1F=106μF=1012pF 三、实验：观察电容器的充、放电现象 开关接1时，电源给电容器充电，充电电流从电源正极流出，上极板带正电，A正确，B错误； 开关接2时，电容器放电，放电过程上极板带正电，放电后两极板都不带电，C、D错误。 电容器的电容与电容器两端的电压无关，该电容器两端电压不超过击穿电压时，电容总是1.5 μF，选项A、B错误； 该电容器正常工作时所带电荷量不超过Q＝CU＝1.5×10－6×9 C＝1.35×10－5 C，选项C错误； 根据Q＝CU可得ΔQ＝CΔU，则给该电容器充电时，电压每升高1 V，单个极板的电荷量增加1.5×10－6 C，选项D正确。 由图像可知，电压从40 V降低到36 V，电容器的电量减小，则属于放电过程；电压减小，电场强度减小，故A、B错误； |ΔQ|＝|C·ΔU|＝|0.005 F×(36－40) V|＝0.02 C，故D错误。 (1)由题图甲可知，电容器充电时，电容器上极板带负电，下极板带正电，故放电过程中通过R0的电流方向由左向右。 (2) I－t曲线图像与对应时间轴所围成的面积表示电荷量，充电和放电过程电荷量相等，所以乙图中阴影部分的面积S1＝S2。 (3)“面积”即为充电电量Q，则该电容器的电容为 (4)由题图乙可知，充电时的最大电流大于放电时的最大电流，则可知R1<R2。 (5)电容器在充电过程中，电流由最大逐渐减小，放电过程电流也是由最大逐渐减小，根据q＝It，q－t图像的斜率绝对值表示电流的大小，故A正确，B错误； 当电压为40 V时，电量为0.2 C，故电容为C ＝＝ F＝5.0×10－3 F，故C正确； C＝＝＝≈0.15 F 电容器在充电过程中，电流由最大逐渐减小，放电过程电流也是由最大逐渐减小，根据U＝＝t，电容器的电容不变，故C错误，D正确。 $$