第5节 科学探究：电容器（表格式教学设计） 物理鲁科版2019必修第三册

本文围绕“科学探究：电容器”展开，介绍电容器构造、充放电、电容等核心知识。承接高二物理电学基础，为后续电学深入学习奠基。通过实验探究、问题引导等环节，培养学生物理观念、科学思维、科学探究及科学态度与责任等核心素养。 该设计创新点在于结合生活实例与实验演示，采用小组合作探究法。能提升学生实验设计与逻辑分析能力，为教师提供清晰授课路径，有效突破电容概念理解等教学难点。

第5节 科学探究：电容器（教学设计） 年级 高二 学科 物理 教师 课题 第5节 科学探究：电容器 教学 目标 物理观念 能理解电容器的基本构造、充电放电过程及电容的定义（），建立“电容器储存电荷和电场能”的物理观念。 科学思维 能通过实验数据推导电容与极板正对面积、间距及电介质的关系，分析电容定义式与决定式的区别，提升逻辑分析与抽象思维能力。 科学探究 能完成“探究影响平行板电容器电容大小的因素”实验，规范操作并记录数据，运用控制变量法得出结论，提升实验设计与探究能力。 科学态度 与责任 通过了解电容器在电子设备（如手机、相机）中的应用，认识其对现代科技的重要性，培养严谨的实验态度和科学应用意识。 教学 重难点 重点：理解电容的定义及影响平行板电容器电容的因素。 难点：分析电容器充放电过程及电容定义式的理解。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 人们在使用相机或手机拍照时，若光线不足，相机或手机一般会自动开启闪光灯以补充光线。那闪光的能量是从哪里来的呢？ 它来自电容器，照相机内安装的大容量电容器提供了闪光所需的能量。 新课讲授 一、识别电容器 活动1：激发学生的好奇心与求知欲，展示实物——收音机、电脑等线路板。 引出课题：电容器到底是什么样的元件？ 活动2：在电路板上找一找，哪些元件是电容器？ 活动3：什么样的结构能够储存电荷呢？ 引导学生通过拆解的方式，探寻它和生活中使用电容器的共同特点，得出电容器的一般结构。 归纳、分析、总结 新课讲授 二、电容器的充放电 活动4：电容器是怎样将电荷“装进”或“倒出”的呢？ 问题1：在如图所示的电路中，将开关接到1端，观察电路中是否有电流通过，以及电流通过的时间长短。思考在这个过程中电容器的极板上带何种电荷？ 问题2：将开关接到2端，观察电路中是否有电流通过。思考在此过程完成后电容器的极板上是否还有电荷？ 演示实验：根据实验电路图连接电路，采用大电阻、大电容，延长电容器充放电时间，进行小组实验，观察电流表和数字电压表的变化情况，并将电流表指针的偏转角度记录下来。利用电流表指针的偏向分析电流的流向，进而推断电荷量的变化情况，利用电压表的读数分析电场强度的变化，进而推断能量的转化情况。 活动5：利用传感器观察电容器的充放电现象。 将电流表与数字电压表改为电流传感器与电压传感器，实时观测电容器充放电过程中电流和电压的变化情况。 问题：I-t图像中，图线与t轴围成的面积代表什么物理量？ 学生讨论并回答问题 新课讲授 三、电容器的电容 活动6：电容器能够储存电荷，那么什么物理量来描述它储存电荷的本领（能力）呢？ 问题1：当电源干电池改用2 节、3节、4节、5节时，利用实验测得的数据可得极板的电量Q与所加电压U的关系图线如图所示，由此可得出什么结论？ 问题2：保持电源电压不变，换不同的电容器进行实验，能得到什么结论？ 新课讲授 四、决定电容的因素 提出问题：电容是与电荷量、两极板电势差无关的物理量，那么它与哪些因素有关呢？ 活动7：演示用教材中用静电计探究平行板电容器电容决定因素的实验，让学生了解经典的实验做法，得出平行板电容器的决定因素之间的定性关系。 活动8：实验定量探究平行板电容器电容的决定因素。 通过小组合作设计探究方案。为了便于研究，平行板电容器电容大小用数字电容表直接测量。 新课讲授 四、电容器的应用 电容器被广泛应用在所有的电子设备上，比如iPad、iPhone、摄像头、MP4、LED等等，只要有电子设备，就能看到它的身影，一款最新的智能手机就要配备500个左右的独石陶瓷电容器。 最近美国等国家对我国20多项技术实施卡脖子清单中就包括今天提到的触觉传感器、高端电阻电容。2020年10月闭幕的十九届五中全会研究了关于制定“十四五”规划和2035年远景目标的建议。其中加强自主创新、对卡脖子关键技术攻关是重中之重。党的二十大报告指出：下大力气破解关健核心技术“卡脖子”问题。同学们到2035年将是国家的栋梁，现在要学好物理。 本节学习的小小电容，就体现了物理学的作用：“探索自然，驱动技术，拯救生命”,正如联合会教科文组织指出的：“物理学是一项国际事业，它对人类未来的进步起着关键的作用。对物理教育的支持和研究，对所有国家都是重要的。” 活动9：查阅资料，了解电容器在生产生活中的运用，结合所学知识，提出增大电容器电容的方式与方法。在条件允许的情况下，可以动手实践，做出一个简易的电容器。 【例题1】如图是“自电容”传感器的工作原理示意图。感应电极上带有一定量的正电荷，当手指靠近感应电极时，测量感应电极与手指间的电容变化，可以实现对手指靠近过程的检测。对于手指靠近的过程，下列说法正确的是(　　) A．手指尖端感应出正电荷 B．感应电极的电势比手的电势低 C．感应电极与手之间的场强逐渐增大 D．感应电极与手之间的场强保持不变 【答案】C 【详解】A．感应电极带正电，由静电感应知，手指尖端感应出负电荷，故A错误； B．电场线从正电荷指向负电荷，“沿电场线方向电势逐渐降低”知，感应电极的电势比手的电势高，故B错误； CD．将门锁与手之间看作一个电容器，由、和 可得电场强度 由于随着手与感应电极靠近，门锁近手端电荷密度越来越大，即Q越来越大，则感应电极与手之间的场强逐渐增大，故C正确，D错误。 故选C。 针对训练1如图所示，电路中D为二极管，为滑动变阻器，为磁敏电阻，磁敏电阻的阻值随所处空间磁场的增强而增大，水平放置在真空中的平行板电容器上板接地，极板间的P点固定有带电量很小的负电荷，下列说法正确的是（　　） A．仅将的滑片向下移动，电容器极板间的电压减小 B．仅将条形磁铁向左移动靠近磁敏电阻，电容器极板间的电压减小 C．仅将电容器的下板稍向上移，P点处负电荷的电势能增大 D．仅将电容器的下板稍向左移，电容器极板间的电场强度不变 【答案】C 【详解】A．根据电容器定义式 决定式 联立可得 当滑动变阻器的滑片向下移动时，两端的电压减小，但由于二极管的单向导电性，电容器不能放电，极板间的电压不变，场强不变，故A错误； B．将条形磁铁向左移动靠近磁敏电阻时，磁敏电阻的阻值增大，两端的电压减小，但由于二极管的单向导电性，电容器不能放电，极板间的电压不变，故B错误； C．将电容器的下板稍向上移，根据决定式 可知电容C增大，根据定义式 可知极板间电压不变，极板电荷量增加，板间场强增大，与上板间的电势差增大，P点电势减小，该点处的负电荷电势能增大，故C正确； D．将电容器的下板稍向左移，根据决定式 可知电容C减小，但极板电荷量不能减小，可知极板间电压增大，根据 可知电场强度增大，故D错误。 故选C。 课 堂 练 习 1．电阻器、电容器、小灯泡和开关是常用的电学元件。如图所示的电路图中，符号“C”表示的元件是（　　） A．电阻器 B．电容器 C．小灯泡 D．开关 【答案】B 【详解】如图所示电路图中，符号“C”表示的元件有两块平行金属板，能够容纳电荷，表示电容器。 故选B。 2.计算机键盘每个键下面都连有一块小金属片，与该金属片隔有一定空气间隙的是另一块固定的小金属片，这组金属片组成一个可变电容器，当连接电源不断电，按下某个键时，与之相连的电子线路就给出该键相关的信号，当按下键时，电容器的（　　） A．电容变小 B．极板的电量变大 C．极板间的电压变大 D．极板间的场强变小 【答案】B 【详解】A．当按下键时，两金属片间的间距减小，根据电容的决定式 可知d减小，电容增大，A错误； BC．根据题意电容与电源连接不断电，可知电容器两端电压不变，根据公式 电容增大，极板的电量变大，B正确，C错误； D．根据公式 d减小，U不变，可得极板间的场强变大，D错误。 故选B。 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8.0V，当电容器带的电荷量减少C时，两极板间的电势差减小为6.0V，则实验所使用的电容器的电容是多少（　　） A． B． C． D．实验前后电容发生变化，无法确定 【答案】C 【详解】ABC．由公式 可得 故C正确，AB错误； D．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，故D错误。 故选C。 4.为了方便在医院输液的病人及时监控药液是否即将滴完，有人发明了一种利用电容器原理实现的输液报警装置，电容器C的两极板夹在输液管两侧，实物图和电路原理如图所示。闭合开关，当药液液面降低时，两极板之间介质由液体改变为气体，蜂鸣器B就会因通过特定方向的电流而发出声音，电路中电表均为理想电表．根据以上说明，下列选项分析正确的是（　　） A．液面下降后，电容器两端电压变小 B．液面下降后，电容器所带电量增大 C．液面下降时蜂鸣器电流由b流向a D．输液管较粗时，电容器容值会变大 【答案】C 【详解】A．开关闭合稳定时，电容器两端电压等于电源电动势，即液面下降稳定后，电容器两端电压不变，A错误：根据电容液面下降，极板之间的介电常数减小，则电容减小，极板之间电压不变，结合 则电容器所带电量减少，B错误；根据图示可知，电容器右侧极板带负电，结合上述，液面下降时，极板所带电荷量减少，即右侧极板失去电子，电子从a向b运动，则蜂鸣器电流由b流向a，C正确；结合上述可知，输液管较粗时，极板之间间距增大，则电容器的电容变小，D错误。故选C。 5.电子眼系统通过埋设在停止线下方的压电薄膜传感器来判断汽车的通过，当压电薄膜受到汽车压力时，薄膜两端产生电压，压力越大电压越大．图甲所示为压电薄膜与电容器、电阻组成的回路，取顺时针方向的电流为正值．红灯亮时，如果汽车的前、后轮先后经过压电薄膜上方，回路中产生如图乙所示的两脉冲电流，即视为“闯红灯”，电子眼即拍照记录，则（　　） A．时间内电容器正在充电 B．时间内电容器上极板带负电 C．车轮停在压电薄膜上时，电容器电压为0 D．红灯亮时汽车前轮刚越过停止线后，又退回到线内，仍会被电子眼拍照 【答案】AD 【详解】AB.由乙图可知，时间内电流增大，是因为压电膜受到汽车压力，压力增大，电压增大，所以电容器正在充电。因为取顺时针方向的电流为正值，t1∼t2时间内电流为正，所以电容器上极板带正电，故A正确，B错误； C.车轮停在感应线上时，压力不变，则电压不变，且不为0，故C错误； D.若汽车前轮越过感应线，又倒回线内，则前轮两次压线，仍形成两个脉冲电流，符合拍照条件，电子眼仍可拍照；故D正确。 故选AD。 6.（2024·重庆·高考真题）探究电容器充放电规律，实验装置如图甲所示，有电源E，定值电阻R0，电容器C，单刀双置开关S。    (1)为测量电容器充放电过程电压U和电流I变化，需在①、②处接入测量仪器，位置②应该接入测 （电流、电压）仪器。 (2)接通电路并接通开关使电容器充电，当电压表示数最大时，电流表示数为 。 (3)根据测到数据，某过程中电容器两端电压U与电流I的关系图如图乙所示。该过程为 （充电，放电）。放电过程中电容器两端电压U随时间t变化关系如图丙所示。0.2s时R0消耗的功率 W。 【答案】(1)电压 (2)0 (3)放电 0.32 【详解】（1）位置②与电容器并联，为测电压仪器。 （2）电压表示数最大时，电容器充电完毕，电流表示数为零。 （3）[1]电容器放电时电压和电流都减小，图像逆向分析，该过程为电容器放电过程。 [2]电容器充电完毕后的电压等于电源电动势，大小为12V，由题图丙可知t = 0.2s时电容器两端电压为U = 8V，由题图乙可知当U = 8V时，电流I = 40mA，则电阻R0消耗的功率为 P = 8 × 4 0× 10－3W = 0.32W 课 堂 小 结 板 书 设 计 第5节 科学探究：电容器 1.电容器 (1)电容器的概念 (2)电容器的充、放电 2.电容 (1)定义：电容器所带的电荷量Q与电容器两极板之间的电势差U之比，叫作电容器的电容。 (2)定义式： (3)单位：在国际单位制中，电容的单位是法拉，简称法，符号是F。如果一个电容器两极板之间的电势差是1V，所带的电荷量是1C，这个电容器的电容就是1F。即1F=1C/V。 (4)实际中常用的单位还有微法(μF)和皮法(pF)，它们之间的换算关系为：1F=106μF=1012p (5)平行板电容器 作业 布置 1.设计平行板电容器充电实验，记录静电计指针偏角随电压变化的数据，绘制Q-U图像并计算电容值（需说明实验误差来源）。 2.对比电容器与电池的储能原理，结合能量转化分析电容器充放电过程中电流方向与能量转移的关系（要求用文字+电路示意图说明）。 3.分析手机电容式触摸屏的工作原理，说明手指接触屏幕时电荷分布变化与位置检测的关系（200字内，需包含电容器通高频特性）。 教学反思 1.用水容器类比电容器时，部分学生仍将电容C对应为容积V而非横截面积S，需通过无限高容器模型强化C反映容纳本领的本质。 2.串联充电法筛选电容器时，学生易忽略标称容量误差（如±30%），应补充数据误差分析环节，培养科学严谨性。 3.充电电流衰减过程抽象，可结合数字电压表与超级电容器的慢放电特性，构建U-t图像辅助理解。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$