第5节科学探究：电容器（教学课件）物理鲁科版2019必修第三册

第二章 电势能与电势差 第5节 鲁科版2019 高中物理必修三 科学探究：电容器 费城实验 据记载，1752年，美国科学家富兰克林用风筝引“天电”，并收集在瓶中。 “莱顿瓶” 一 电容器 一、电容器 1、定义：能储存电荷的电学元件称电容器。 3、平行板电容器： 两块彼此绝缘且靠得很近的金属板组成的最简单的电容器。 2、作用：储存电荷 极板 极板 + + + + + + - - - - - - 二 观察电容器的充放电 实验目的 实验器材 1、通过观察、了解电容器在充电和放电过程中，两极板间电压和电路中电流的变化。 2、判断电容器在充电和放电过程中，两极板电荷量的变化。 实验原理与设计 实验原理图 当开关拔到“1”时，电源E对电容器充电；当开关拔到“2”时，电容器放电； 在充、放电的过程中，利用电流计观察电路的电流大小和方向的变化，利用电压表观察电容器两极板间电压的变化，进而判断电容器两极板储存电荷量的变化情况。 实验过程 实验数据 电流计指针偏转情况 电压表指针偏转情况 两板间储存电荷量 充电过程 （S拔到“1”） 放电过程 （S拔到“2”） 瞬间达到最大，后逐渐减小到0 瞬间达到最大，后逐渐减小到0 偏角变大，达到某一值后保持不变 偏角减小，减到0后保持不变 逐渐增加到某一值后保持不变 逐渐减少到0 充电过程 放电过程 + + + - - - + + + - - - 实验结论 2、在电容器充电时，电路电流瞬间达到最大值，然后逐渐减小至0;两板间电压逐渐增大后保持不变；两板间电荷量逐渐增加后保持不变。 1、电容器可以储存电荷。 3、在电容器放电时，电路电流瞬间达到最大值，然后逐渐减小至0;两板间电压逐渐减小至0;两板间电荷量逐渐减小至0。 电容器在充、放电的过程，电路中均有电流。 思考与讨论 充电后，将开关断开，会观察到什么现象？ 因电压表不是理想电表，开关断开后，电路有电流通过电压表，电容器也会放电 放电过程 + + + - - - 二、电容器的充放电 1、电容器充电： 让电容器带上等量异种电荷的过程。 2、电容器放电： 电容器储存的电荷释放的过程。 3、特点： ①充、放电过程，电路中均有电流； ②充电过程电流先最大，后逐渐减小至0；放电过程，电流先最大，后逐渐减小至0. ③充电过程电压逐渐变大，达某一值后稳定；放电过程，电压逐渐减小至0. 4、能量变化： 充电过程电源的能量存储到电容器中； 放电过程电容器存储的能量转化为电路中其它形式的能量； 思考与讨论 用发光二极管观察电容器的充放电 二极管导通与截止： + - 电势高 电势低 导通 - + 电势低 电势高 截止 开关分别拔到“1”和“2”时，哪个二极管发光？ 用二极管观察电容器的充电和放电 在只受静电力时，正电荷是从电势高向电势低移动，负电荷是从电势低向电势高移动。 + - B A 接1时： 电子是从B向A移动 ∴D2导通，亮；D1截止，不亮。 接2时： 电子是从A向B移动 I I I I I I ∴D1导通，亮；D2截止，不亮。 电流方向：与正电荷定向移动方向相同，与负电荷移动方向相反。 相关知识 电容器充电 电容器放电 思考与讨论 三 电容器的电容 思考与讨论 电容器的充、放电过程中，极板间电压与极板电荷量的关系 极板的电压U随极板的电量Q增加而增大。 充电时 充满电后电压与电荷量不再变化 放电时 极板的电压U随极板的电量Q减小而减小。 思考与讨论 电容器的充、放电过程中，极板间电压与极板电荷量的关系 同一电容器 不同电容器 实验表明: 物理学中，把电容器极板所带电荷量Q与极板间电压U的比值用来表现电容器储存电荷的特性。称为电容，用C表示。 电容 三、电容器的电容 1、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，称为电容器的电容。 2、符号： C 3、定义式： Q是一个极板上电荷量的绝对值。 4、物理意义： 体现电容器容纳电荷的本领。 电容越大，表明在相同电势差情况下，电容器所带的电荷越多。 5、国际单位： 法拉 简称：法 符号：F 1F=1C/V 当一个电容器带1C电量时，两极间电压是1V，那么这个电容器的电容就是1F 常用单位还有： 思考与讨论 电容器的Q-U图象 U/V Q/C △U △Q C1 C2 Q1 Q2 U1 U2 对于同一电容。C值固定时，Q与U成正比。 O 图象斜率：表示电容 C1>C2 例题分析 1、有一个正充电的电容器，若使它带的电荷量减少了3×10-6 C，其电压将变为原来的1/3，则电容器原来带的电荷量是 C ，若电容器原来的电压5 V，则电容器的电容是 F。 思考与讨论 电容定义式 “电容与极板带电量成正比与极板间电势差成反比。” 能不能理解为 电容器的电容大小与什么因素有关？ 四 影响电容大小的因素 思考与讨论 静电计 静电计本身是一个电容器。当指针所带的电量越多时，指针的打开角度就会越大，指针与壳之间的电势差也就越大。 思考与讨论 静电计 让静电计的金属球与平行板电容器通过导线相连，当电荷停止运动后，静电计球与壳间的电势差就与平行板电容器两极板间的电势差相等。 从静电计指针的打开角度可以定性的知道平行板电容器两端的电势差变化。 实验探究 利用静电计探究平行板电容器的电容与哪些因素有关？ 极板正对面积S 极板间距离d 极板间电介质εr 实验方法：控制变量法 四、影响电容大小的因素 1、影响电容大小的因素： 当极板间是真空时，在国际单位制中： 如果极板间充满电介质，电容的大小: 电介质介电常数 k为静电力常数 平行板电容器的电容C与正对面积S成正比，与极板间的距离d成反比。 2、电容决定式： 如图所示，一平行电容板的两端与电压为U的恒压电源相连。极板上带电荷量为Q。若只将两极板间的距离增大为原来的2倍，求电容器极板上的电荷量。 思考与讨论 由电容的决定式： 可得 电容器与恒压电源相连，则两极板电势差保持不变（U不变） 由电容的定义式： 可得 讨论 电容器极板间的电场强度是否发生变化吗？ 场强发生变化 思考与讨论 电容器从电路断开，则两极板所带电荷量保持不变（Q不变） 平行板电容器，带电量为Q，板间电压为U。断开电源后，若只将极板正对面积S减少为原来的3/4，求极板间的电压 。 讨论 电容器极板间的电场强度是否发生变化吗？ U变化场强变化 若只改变两极板间的距离，电场强度是否发生变化？ 与d无关，场强不变 例题分析 2、如图所示，用电池对电容器充电，电路中 a、b 两点之间接有一灵敏电流计，两极板间有一电荷 q在重力和电场力作用下处于静止状态。在两极板的间距变大的过程中( ) A.电荷将向上加速运动 B.电荷将向下加速运动 C.电容器带电量将变大 D.有电流流过电流计 电荷开始时静止，则重力与静电力平衡，如图。 电容接在电源两端电压U不变， E变小，F=qE变小，静电力<重力，电荷向下加速。B对。 Q=CU，U不变，d变大，C变小，所以Q变小，有电荷流动。D对。 mg qE 极板间距d增大时，E=U/d,即 五 常见电容器及其应用 五、常见电容器及其应用 1、常见的电容器： ①按电容是否可变： 空气电容器 ②按电介质分： 涤纶电容器 电解电容器 云母电容器 纸质电容器 陶瓷电容器 等…… 聚苯乙烯电容器 电解电容 陶瓷电容器 2、额定电压和击穿电压： （2）加在电容器两极板上的电压不能超过某一个限度，超过这个限度，电介质将被击穿，这个电压称为击穿电压。 （1）电容器正常工作时两极板上的最大电压，称为额定电压。 外壳上标的电压是额定电压 额定电压低于击穿电压 五、常见电容器及其应用 五、常见电容器及其应用 3、电容器的应用 ①利用电容器测水位变化 电容器表面经过绝缘处理。 水位变高时电容变大； 水位变低时电容变小； 水位变化为极板间的电介质发生变化 五、常见电容器及其应用 3、电容器的应用 ②电容式话筒：利用电容变化将声音转为电信号 ③指纹考勤机：由于指纹凸凹不平，凸点处与凹点处分别与指纹传感器半导体基板上的小极板形成一个个电容器。将指纹信息转为电信号。 通过振膜振动改变极板间距 作业 $$