2.1 电容器与电容 实验：观察电容器的充放电现象 课件-2025-2026学年高二上学期物理粤教版必修第三册

该高中物理课件聚焦电容器的构造、充放电过程及电容概念，以航母电磁弹射系统的超级电容为导入，通过实例引出电容器组成与作用，再结合充放电实验原理过渡到电容定义式，构建从实际应用到理论概念的学习支架。 其亮点在于融合科学探究与科学思维，通过传感器采集充放电的U-t、I-t图像分析电流电压变化，用比值定义法及Q-U图像斜率理解电容，联系日光灯、手机触摸屏等应用强化物理观念。例题与辨析题助学生巩固概念，教师可提升教学效率，学生能深化对电场能的理解。

歼15T的亮相，标志着中国舰载重型战斗机拥有了更大的载弹量、更远的航程和更优的作战效能。电弹射你可以加满油通通挂满，电磁弹射把你送出去，所以整个战斗力真强。所以一架歼15T的战斗力大概是两架歼15的战斗力。铺垫了这么多，终于可以请出我们的武安护国险胜电磁真君马伟明院士了。他给003号设计的解决方案是啊超级电容。众所周知普通的锂电池充电的时候，锂离子从正极运动到负极，放电则反过来。这期间由于出现了物质变化，所以属于化学变化。那是化学变化，就会发光发热。所以锂电池虽然能量密度高，但是它很危险，它容易过热。假如把锂电池中间的隔膜拿掉，让正负极离得非常近，这就是超级电容了。充电的时候正负极会分别吸附住电解液中的正负离子，放电的时候，这些正负离子会迅速回到电解液中。这个过程只有纯粹的物理变化，所以它不会发光发热，速度也可以拉到非常快。所以只要把超级电容做的足够大，那么利用它的特性，一次释放出上百度电弹射歼15丝毫不在话下。 本实验我们需要用到的器材有电源、单刀双掷开关、灵敏电流表、定值电阻、电容器以及导线若干。首先我们来展示关于电容器的充电过程，将开关搬到一位置，此时可以发现它出现了一个充电电流，并且随时间的推移，该电流在逐渐的减小。而最终当该电流小到趋近于零的时候，可以认为充电结束。好，我们再来展示关于电容器的放电过程。将开关搬到二位置，大家可以发现首先它会出现一个放电电流，同样随时间的推移，该放电电流也在逐渐的减小。最终它会趋近于0。好，这就是今天给大家介绍的关于电容器它的充放电过程。 各位同学，这个就是我们所使用的虚拟实验平台。平台已经提前为我们计算好了电容器极板所带的电荷量。下面我将不断的调整电压，请各位同学记录对应的电压电荷量数值。第一组数据。第二组数据、第三组数据。第四组。数据、第五组数据。第六组数据好的，我们第一个实验到此结束。下面我将更换一个不同的电容器，再做一次实验，现在老师已经更换了一个不一样的电容器，请各位。同学记录数据。第一组数据、第二组数据。第三组。数据、第四组数据、第五组数据。第六组数据。好的，我们的实验到此结束。请各位同学计算验证电荷量Q和电压的比值是否如我们刚才所猜测的一样，是一个定值。并且不同的电容器它的比值是不一样的。请各位同学计算验证实验。数据如屏幕所示，我们可以发现在实验误差允许的范围内，我们的猜想是正确的。 第二章 静电场的应用 Physics 理解电容的概念及其定义式 知道什么是电容器及电容器的主要构造 02 01 重难点 知道电容器充、放电的实验原理和实验电路 03 01 识别电容器　 电容器的充放电 航母的电磁弹射系统的核心部件-超级电容 情境导入 识别电容器 (1)电容器的组成：两个互相靠近、彼此绝缘的导体，导体间可以填充 绝缘物质(电介质)。 (2)电容器的表示 在电路中，电容器用字母“C”及电路符号“┤├”表示。 (3)电容器的作用：储存电荷和电场能。 核心知识 (4)常见电容器。 (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。 核心知识 观察电容器的充放电 观察与思考 充电、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(a)、(b)所示。 核心知识 (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(c)、(d)所示。 核心知识 (3)从能量的角度区分充电与放电： 充电是从电源获得能量储存在电容器中； 放电是把电容器中的能量通过电流做功转化为电路中其他形式的能量。 3.电容器的电荷量：其中一个极板所带电荷量的绝对值。 核心知识 (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。(　　) × √ × √ 辨析 1.(2024·汕头市高二段考)如图所示的电路中，开关S从a拨向b后，灵敏电流计指针偏转，这时  A.电容器正在充电，电流的方向为顺时针 B.电容器正在充电，电流的方向为逆时针 C.电容器正在放电，电流的方向为顺时针 D.电容器正在放电，电流的方向为逆时针 √ 开关S打在a时，电容器充电，上极板带正电，下极板带负电；开关S从a拨向b后，灵敏电流计指针偏转，这时电容器正在放电，电流方向由上极板流向下极板，即电流的方向为逆时针。 例题 02 电容器的电容 观察电容器的电压与电荷量关系 观察与思考 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。 答案　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。 观察与思考 (1)定义：电容器所带电量Q与电容器两极板间的电压U之比。 (2)定义式：C＝。 (3)单位：电容的国际单位是法拉，简称法，符号是F 常用的单位还有微法和皮法，1 F＝106 μF＝1012 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。 (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 1 V时电容器需要带的电量。  电容 核心知识 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。 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。 击穿电压和额定电压 (2)击穿电压 (1)额定电压 < 核心知识 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？ 答案　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？ 答案　增大，不变。 讨论与交流 2. (2024·广州市高二检测)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 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。 3.电容器a、b的带电量Q与电压U的关系图像如图所示，则两电容器的电容Ca、Cb大小关系为  A.Ca＝Cb B.Ca<Cb C.Ca>Cb D.Ca＝Cb √ 根据C＝可知Q－U图像的斜率表示电容，由图可知ka>kb，则Ca>Cb，故选C。 例题 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 03 实验：观察电容器的充、放电现象 观察电容器的充电和放电过程中电流与电压的变化 观察与思考 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； 答案　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)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。 答案　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？ 答案　0~0.2 s内电路中流过的电量。 讨论与交流 (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。 答案　计算图线与横轴间的面积，约为41格，Q＝3.28×10-3 C。 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。 讨论与交流 　 4. (2024·广东省真光中学高二月考)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。 例题 (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 (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“＝”)。  < (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 C＝≈0.15 F (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。 一、电容器 任何两个彼此绝缘又相互靠近的导体都可以构成电容器. 二、电容　 三、实验 1.物理意义：表示电容器容纳电荷本领的物理量。 2.定义式：C＝ 3.单位：法拉F 1F=106μF=1012pF 充电：电容器与电源相连，电源能量→电场能 放电：电容器与导线相连，电场能→其他形式能 课堂小结 本课结束 Keep Thinking! $各位同学，这些就是我们的实验仪器。实验仪器已经根据电路图进行了组装，传感器都已经连接上了手机，我们可以直接从手机中获知实验数据。好，下面我们开始实验。首先打开传感器。好，我们开始充电，充电结束开始放电，放电结束。好，我们再做一遍，开始充电，充电结束开始放电，放电结束。我们的实验到此结束，请各位同学记录整理实验数据。现在老师将刚才实验获得的数据整理在了屏幕上。