第六节 电容 电容器 第2课时 实验：观察电容器的充、放电现象（表格式教学设计）物理沪科版必修第三册

9.6 电容 电容器第2课时　实验：观察电容器的充、放电现象 （教学设计） 年级 高二 学科 物理 课时数 课题 9.6 电容 电容器第2课时　实验：观察电容器的充、放电现象 教学 目标 1. 知道电容器的主要构造。 2. 根据电路图正确连接实物图，认真观察电容器充、放电的实验现象。 教材 分析 电容 电容器是电容器学习的第二课时，核心任务是通过实验观察并定性、定量分析电容器的充、放电过程。 前一课时学生已掌握电容器的结构、定义式及决定电容大小的因素，本课时借助“做中学”的实验活动，让学生在真实电路中体会电容器储存电荷、释放电荷的动态过程，并用实验数据进一步理解电流、电压随时间变化的规律，夯实“电容器是储能元件”这一物理观念。本实验既包含简单的观察性演示，也引入基于传感器与计算机的现代化探究（I−t 曲线的获取与面积意义的运用），可同时满足不同层次班级的教学需求。通过对实验现象、数据曲线和典型练习题的讨论，学生将初步具备利用“曲线面积＝电荷量”进行电容测定的能力。 教学重点 1. 观察并描述电容器充、放电过程中电流、电压变化的规律。 2. 理解并应用I−t 曲线面积代表电荷量，进而利用Q=CU 求电容。 教学难点 1. 对充电、放电时电流方向及大小变化的本质理解。 2. 在控制变量分析中分辨“改变电阻对充电时间有何影响，而对电容器所储电荷量无影响”。 教学过程 教师活动 学生活动 学习新课 一、实验：观察电容器的充、放电现象 1. 实验原理 (1)电容器的充电过程 如图所示，当开关S接1时，电容器接通电源，在静电力的作用下自由电子从正极板经过电源向负极板移动，正极板因失去电子而带正电，负极板因获得电子而带负电。正、负极板带等量的正、负电荷。电荷在移动的过程中形成电流.在充电开始时电流比较大，以后随着极板上电荷的增多，电流逐渐减小，当电容器两极板间电压等于电源电压时电荷停止定向移动，电流I＝0。 (2)电容器的放电过程 如图所示，当开关S接2时，电容器通过电阻R放电，放电电流由电容器的正极板经过电阻R流向电容器的负极板，电容器正、负极板上电荷发生中和。放电开始时电流较大，随着两极板上的电荷量逐渐减小，电路中的电流逐渐减小，两极板间的电压也逐渐减小到零。 2. 实验器材 6 V的直流电源、单刀双掷开关、平行板电容器、电流表、电压表、小灯泡、导线若干。 3. 实验步骤 (1)按图连接好电路 (2)把单刀双掷开关S接在上面，使触点1和触点2连通，观察电容器的充电现象，并将结果记录在表格中。 (3)将单刀双掷开关S接在下面，使触点3和触点2连通，观察电容器的放电现象，并将结果记录在表格中。 (4)记录好实验结果，关闭电源。 4. 实验记录和分析 5. 注意事项 （1）电流表要选用小量程的灵敏电流计 （2）要选择大容量的电容器 （3）实验要在干燥的环境中进行 （4）在做放电实验时，在电路中串联一个电阻(小灯泡)，以免烧坏电流表 掌握电容器的充电和放电过程，注意部分物理量的变化 掌握实验现象中物理量的变化情况 学习新课 二、电容器充、放电现象的定性分析 【例1】在如图4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 ） 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 电容器的充电和放电 1.充电：把电容器的两个极板与电源的正负极相连，使两个极板上带上等量异种电荷的过程。充电后，跟电源正极相连的极板带正电，跟电源负极相连的极板带负电。充电过程如图甲所示 2.放电：用导线把充电后的电容器的两个极板接通，两个极板上的电荷中和，电容器失去电荷的过程。放电后，电容器任一极板带电荷量均为零。放电过程如图乙所示 【针对训练】某同学利用如图5所示的实验电路观察电容器的充、放电现象，下列说法正确的是（ D ） A.把开关S接1，电压表和电流表示数均逐渐增大 B.把开关S先接1再断开，断开后电压表示数立即变为零 C.电容器充电与放电过程，通过电流表的电流方向相同 D.电容器放电过程，电压表和电流表示数均逐渐减小 【针对训练】电容器是电学中常见的能存储电荷的电子元件。某同学用图甲所示的电路探究电容器的充、放电规律。图中R是高阻值电阻，先使开关S与1端相连，然后把开关S掷向2端。与电流传感器相连接的计算机，记录了这一过程中电流随时间变化的I－t曲线如图乙所示。 (1)要研究电容器放电过程的规律，开关S应接在___端； (2)根据计算机所记录的I－t曲线 ①在形成电流曲线1的过程中，电容器两极板间电压逐渐_____(选填“变大”“变小”或“不变”)； ②在形成电流曲线2的过程中，电容器的电容_______(选填“变大”“变小”或“不变”)。 【解析】（1）研究电容器放电过程的规律，应断开电源，开关S应接在2端。 （2）①在形成电流曲线1的过程中，电容器电荷量逐渐增大，根据U＝可知，电容器两极板间电压逐渐变大。 ②在形成电流曲线2的过程中，根据C＝可知，电容器电容不变 掌握电容器充、放电现象的定性分析的方法 学习新课 三、电容器充、放电现象的定量计算 【例2】电流传感器可以像电流表一样测量电流，不同的是反应比较灵敏，且可以和计算机相连，能画出电流随时间的变化图像。图甲是用电流传感器观察电容器充、放电过程的实验电路图，图中电源电压为6 V。(已知电流) 先使开关S与1接通，待充电完成后，再把开关S与2接通，电容器通过电阻放电，电流传感器将电流信息传入计算机，显示出电流随时间变化的I－t图像如图乙所示。已知图线与时间轴围成的面积表示电荷量，根据图像估算出电容器整个放电过程中释放的电荷量为 3.04×10－3 C，该电容器电容为 507 μF。(均保留三位有效数字) 【针对训练】电流传感器可以捕捉到瞬间的电流变化，它与计算机相连，可以显示出电流随时间变化的I－t图像。如图甲连接电路.直流电源电压为9 V，电容器选用电容较大的电解电容器。先使开关S与1端相连，电源向电容器充电。然后把开关S掷向2端，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)将开关S接通1，电容器的____(填“左”或“右”)极板带正电，再将S接通2，通过R的电流方向向____(填“左”或“右”) (2)如果不改变电路其他参数只减小电阻R，充电时I－t曲线与横轴所围成的面积将_____(填“增大”“不变”或“变小”)，充电时间将_____(填“变长”“不变”或“变短”)。 【解析】（1）将开关S接通1，电容器的左极板与电源的正极相连，所以电容器的左极板带正电。再将S接通2，电容器通过电阻R放电，所以通过R的电流方向向右。 （2）由电容器的计算公式，可得电容器所带电荷量Q＝CU，电容器储存的电荷量Q与电阻R无关，如果不改变电路其他参数，只减小电阻R，充电时I－t曲线与横轴所围成的面积将不变。如果不改变电路其他参数，只减小电阻R，由于电阻对电流的阻碍作用减小，充电电流增大，所以充电时间将变短。 【例3】（1）据报道，科学家发明了一种新型超级电容器，能让手机几分钟内充满电.用该种电容器给手机电池充电，下列说法正确的是（ B ） A.该电容器给手机电池充电时，电容器的电容变大 B.该电容器给手机电池充电时，电容器存储的电能变少 C.该电容器给手机电池充电时，电容器所带的电荷量可能不变 D.充电结束后，电容器不带电，电容器的电容为零 (2)电路中电流大小可以用电流传感器测量，用电流传感器和计算机可以方便地测出电路中电流随时间变化的曲线.某兴趣小组要测定一个电容器的电容，选用器材如下：待测电容器(额定电压为16 V)、电流传感器和计算机、直流稳压电源、定值电阻R0＝100 Ω、单刀双掷开关、导线若干实验过程如下： ①按照图甲正确连接电路； ②将开关S与1端连接，电源向电容器充电； ③将开关S掷向2端，测得电流随时间变化的I－t图线如图乙中的实线a所示； ④利用计算机软件测出I－t曲线和两坐标轴所围的面积。 请回答下列问题： （1）已知测出的I－t曲线和两坐标轴所围的面积为42.3 mA·s，根据图像算出电容器全部放电过程中释放的电荷量为_____ C，最大电压为____ V，电容器的电容C＝_____ F；(均保留两位有效数字) （2）若将定值电阻换为R1＝180 Ω，重复上述实验步骤，则电流随时间变化的I－t图线应该是图丙中的曲线____。(选填“b”或“c”) 【解析】（1）根据Q＝It可知， 释放的电荷量为Q＝42.3×10－3 A×1 s≈0.042 C 由题图乙可知，开始放电瞬间通过R0的电流I＝90 mA＝0.09 A， 则R0两端的最大电压为Um＝IR0＝0.09×100 V＝9.0 V 根据C＝，，得电容C＝ F≈4.7×10－3 F （2）换用180 Ω的电阻，则根据Im＝UmR1，因第2次实验的最大电流小些，故应是曲线c。 板 书 设 计 电容 电容器第2课时　实验：观察电容器的充、放电现象 一、实验：观察电容器的充、放电现象 1. 实验原理 (1)电容器的充电过程 开关 S → 1；电流：I大→0；电压：U0→U源；极板：上 +下 − (2)电容器的放电过程 开关 S → 2；电流：I大→0；电压：U大→0；极板：Q+=Q−=0 2. 实验器材 6 V的直流电源、单刀双掷开关、平行板电容器、电流表、电压表、小灯泡、导线若干。 3. 实验步骤 4. 实验记录和分析 5. 注意事项 二、电容器充、放电现象的定性分析 1. 电容器的充电：把电容器的两个极板与电源的正负极相连，使两个极板上带上等量异种电荷的过程。充电后，跟电源正极相连的极板带正电，跟电源负极相连的极板带负电。充电过程如图甲所示 2. 电容器的放电：用导线把充电后的电容器的两个极板接通，两个极板上的电荷中和，电容器失去电荷的过程。放电后，电容器任一极板带电荷量均为零。放电过程如图乙所示 三、电容器充、放电现象的定量计算 作业布置 教学反思 / 学科网（北京）股份有限公司 $