2.5 科学探究：电容器 课件-2026-2027学年高二上学期物理鲁科版必修第三册

2.5科学探究：电容器 学习目标、重难点 1 新课讲解 3 新课导入 2 课堂练习 4 教考衔接 5 课堂小结 6 目录 【学习目标】 物理观念：认识电容器的结构与作用；理解电容是描述电容器容纳电荷本领的物理量，掌握定义式 C=Q/U 。 科学思维：运用比值定义法建构电容概念；通过控制变量法分析影响平行板电容器电容的因素。 科学探究：经历“提出问题—设计实验—采集数据—归纳结论”的完整探究过程；能使用静电计等器材定性或定量探究 C 与 S 、 d 、 的关系。 科学态度与责任：养成规范操作、如实记录数据的实验习惯；体会电容器在电子技术中的广泛应用，增强理论联系实际的意识。 【学习重难点】 重点： 电容的定义式 C=Q/U 及物理意义；平行板电容器电容的决定式的探究与理解。 难点： 区分电容定义式与决定式的适用场景；理解静电计指针偏角反映电势差而非电荷量；实验中控制变量的操作与误差分析。 【新课导入】 据记载，1752 年，富兰克林曾利用莱顿瓶（ 图 2-22）进行了著名的费城实验，即用风筝将“ 天电 ”引下来，收集到莱顿瓶中。为什么莱顿瓶能把电荷储存起来？本节将学习储存电荷的常用电学元件——电容器. 图 2-22 莱顿瓶结构示意图 【新课讲解】 一、观察电容器的充、放电现象 当原来不带电的电容器的两极板连接电源时，电容器充电，两极板会分别带上等量异种电荷，如图（a）所示。 能储存电荷的电学元件称为电容器（capacitor）。两块彼此绝缘的平行金属板可组成最简单的电容器，即平行板电容器。 【新课讲解】 电容器充电后，两极板间存在电场，电荷因受静电力的作用而储存在极板上。当充电后的电容器两极板通过电流计接通时，电路中会形成瞬时电流而发生放电，使两极板的电荷中和而不再带电，如图 （b）所示。 下面我们通过实验来研究电容器的充电和放电。 【新课讲解】 实验：观察电容器的充放电现象 实验目的：观察了解电容器充放电过程中，两极板间电压和电流的变化 实验原理： 实验器材：电解电容器、直流电源、电流计、电压表、电阻、单刀双掷开关、导线。 【新课讲解】 1.充电过程：电子从电源的负极出发，流向下极板，电子从上极板出发流向电源正极（电子定向移动），导致两极板带等量异号电荷。 (1)电流表指针右偏，说明有顺时针的电流； (2)与电源正极连接的极板失电子，带正电；与电源负极连接的极板得电子，带负电； (3)极板间形成从上到下的匀强电场； (4)充电时，电容器储存电场能； (5)充电完毕，电流表指针回到原位，电路中电流为0。 【新课讲解】 2. 放电过程：用导线将充电后的电容器两极接通，电子从负极板出发，流向正极板，两极板电荷发生中和，最终不带电。 (1)电流表指针左偏，说明有逆时针的电流 (2)放电时，电容器储存电场能放出； (3)放电完毕，电场极板间电场为零；极板所带电量为零；电路中电流为零；两极板之间电压为0。 【新课讲解】 3.充电（放电）过程中电流（电压）随时间的变化图像 充电过程 放电过程 【新课讲解】 充 电 放 电 电流方向 电 压 电 荷 量 能 量 电源正极流向电容器正极板 电容器负极板流向电源负极 两极所带电荷量增加 两极间电压逐渐增加 直到与充电电压相等 电源的能量转化为电场能 电容器正极板流向 电容器负极板 两极所带电荷量减少 两极间电压逐渐减小 直至为0 电场能转化为其他形式能量 【新课讲解】 设平行板电容器两个极板的正对面积和距离一定，讨论以下问题： 电容器两极板之间的场强与电容器的带电量有什么关系？ 电容器两极板之间的电势差与场强有什么关系？ 你能通过推理，得出电容器两极板之间的电势差与电容器带电量的关系吗？ 不同的电容器存储电荷的能力是不同的，为了描述电容器这种能力的异同，我们引入一个新的物理量——”电容“。 【新课讲解】 二、电容器的电容 既然电容器能储存电荷，如何反映电容器容纳电荷的本领大小呢？ 类比法： 类比圆柱 型水杯容 器的储水 h h A B C 1.水位每升高h，试比较A、B、C的储水量； 2.哪个储水本领大？ 如何反映其储水本领？ 【新课讲解】 1.定义：电容器所带电量Q与电容器两极间的电压U的比值，叫电容器的电容。 2.公式：C＝. 容纳电荷的本领， 与水桶截面积S类比 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － ＋Q －Q 3.单位：在国际单位制中，电容的单位是法拉（F） 1F=1C/ V 1F=106μF=1012pF 4.物理意义：描述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。 【新课讲解】 (1)电容器所带电荷量是指电容器一个极板所带电荷量的绝对值，而不是指两个极板所带电荷量的绝对值之和。 (2)电容器的电容是反映其容纳电荷本领大小的物理量，完全由电容器本身决定，跟电容器是否带电、带电荷量多少以及两极板间电势差的大小无关。 (3)对于一个确定的电容器，电容C是不变的，故当电容器所带电荷量分别为Q1和Q2时，有 则 ，即电容的大小在数值上还等于电容器所带电荷量的变化量ΔQ与电容器两极板间电压的变化量ΔU的比值，即 5.对电容的理解 【新课讲解】 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。 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。 【新课讲解】 1.平行板电容的结构 由两个相互平行且彼此绝缘的金属板构成的电容器，叫作平行板电容器。 控制变量法 （1）保持极板电荷量Q与极板间距d 不变，改变极板正对面积S （2）保持极板电荷量Q与极板正对面积S不变，改变极板间距d （3）保持极板电荷量Q、极板间距d 与极板正对面积S不变，极板间插入电介质（有机玻璃板） 2.实验方法 【新课讲解】 步骤一：保持极板电荷量Q与极板间距d 不变，改变极板正对面积S Q、d保持不变时，S 越小，U越大 由 实验现象： 实验结论： Q，S保持不变时，S 越小，C 越小 夹角变大 板间电势差变大 3.实验步骤 【新课讲解】 步骤二：保持极板电荷量Q与极板正对面积S不变，改变极板间距d Q，S保持不变时，d 越大，U越大 由 实验现象： 实验结论： Q，S保持不变时，d 越大，C 越小 夹角变大 板间电势差变大 【新课讲解】 步骤三：保持极板电荷量Q、极板间距d 与极板正对面积S不变，极板间插入电介质（有机玻璃板） Q、d、S保持不变时，εr越大，U越小 由 实验现象： 实验结论： Q、d、S保持不变时，εr 越大，C 越大 夹角变小 板间电势差变小 【新课讲解】 两极板间距离 两极板正对面积 静电力常量 介电常数 真空 =1 4.实验结论：减小正对面积、增大板间距可以减小电容；插入电介质，可以增大电容。理论分析表明，平行板电容器的决定式为： 保持电量Q不变时，平行板电容器的电容C 【新课讲解】 几种常用电介质的相对介电常数 电介质 空气 煤油 石蜡 陶瓷 玻璃 云母 水 1.0005 2 6 6～8 4～11 2.0～2.1 81 空气的相对介电常数与1十分接近，研究中，空气对电容的影响一般可以忽略。 【新课讲解】 从构造上分： 可变电容器 固定电容器 按介质分： 纸介质电容器 聚苯乙烯电容器 电解电容 陶瓷电容器 + - 电解电容 注意：电解电容分正负极，正负极不能接反，不能接交流电. 三、常见电容器及其应用 【课堂检测】 如图所示，平行板电容器与电动势为E的直流电源（内阻不计）连接，现将平行板电容器的上极板竖直向下移动一小段距离，则（   ） A. 电容器的电容减小                                               B. 电容器两极板间电压增大 C. 电容器所带电荷量增大                                        D. 电容器两极板间电场强度不变 【课堂检测】 解析：A．根据电容公式 C= ，将平行板电容器的上极板竖直向下移动一小段距离，d减小，电容增大。A不符合题意； B．电容与电源相连，电压不变。B不符合题意； C．根据电容公式得 Q=CU，电量增多，C符合题意； D．根据公式 E= 可知，场强增大。D不符合题意。 故答案为：C。 答案：C 【课堂检测】 (多选)关于电容器的充、放电，下列说法正确的是(　　) A．充、放电过程中外电路有瞬间电流 B．充、放电过程中外电路有恒定电流 C．充电过程中电源提供的电能全部转化为内能 D．放电过程中电容器中的电场能逐渐减少 【课堂检测】 答案：AD 解析：电容器充、放电过程中会有电荷发生定向移动，电路产生变化的瞬间电流，电容器充、放电结束，电流消失，A正确，B错误；充电过程中电源提供的电能部分转化为电容器的电场能，C错误；放电过程中电容器中的电场能转化为其他形式的能，D正确。 【教考衔接】 1．图（a）为某梳齿状可变电容器截面图，上端为固定极板，下端为可上下运动的动极板。将该电容器接入图（b）所示电路，探究其电荷量Q、极板电压U和电容C的变化。过程为：①当动极板运动到最高处，开关S接a端，电源E向电容器充电；②充电结束后S接b端空置，动极板向下运动；③当动极板运动到最低处，S接c端，电容器通过R放电。关于该过程，下列图像可能正确的是(      ) A. B. C. D. 【教考衔接】 1．答案：A 解析：AB.由题意可知①过程为电容器充电过程，电容器两端电势差逐渐增大，根据 可知电容器电荷量逐渐增大；②过程S接 端，则电容器Q不变，动极板向下运动，S减小，根据 可知U增大，C减小；③过程为放电过程，动极板在最低处电容为更小的恒定值，故对应 图线为过原点、斜率更小的直线，A正确，B错误； CD.通过前面的分析可知①过程的电容C大于③过程的电容C，②过程中Q不变，因为 ，所以U与C成反比，图像为双曲线的一支，故CD均错误。 故选A。 【教考衔接】 2．如图所示，金属薄板a、b、c、d完全相同，用长导线和开关 连接，a与b、c与d平行且间距相等， 均断开。a、b带等量异种电荷，c、d不带电。一质量为m、带电荷量为q的微粒静止在a、b之间。忽略边缘效应。则(      ) A. 闭合、 断开，微粒向下运动 B. 断开、 闭合，微粒向上运动 C. 同时闭合，微粒向下运动 D. 同时闭合，微粒保持静止 【教考衔接】 2．答案：C 解析：仅闭合一个开关的情况下，金属薄板上的电荷不会转移，根据电容的定义式 可知，金属薄板a、b间的电压不变，又板间距不变，则板间场强不变，微粒受到的电场力不变，依然与重力平衡，因此微粒保持静止，AB错误；同时闭合两开关，由于四个金属薄板完全相同，因此电荷量平分，则金属薄板a、b上的电荷量减半，根据电容的定义式 可知，金属薄板a、b间的电压减半，又板间距不变，则板间场强减半，微粒受到的电场力减半，小于重力，因此微粒向下运动，C正确，D错误。 【课堂总结】 ①电容器 （1）构造：两个彼此绝缘又相距很近的导体都可以看成一个电容器. （2）电容器的充电：两极板的电荷量Q增加，板间电压U增大，板间场强E增大，电源的能量不断储存在电容器中. （3）电容器的放电：两极板的电荷量Q减少，板间电压U减小，板间场强E减小，电容器把储存的能量通过电流做功转化为电路中其他形式的能量. （4）电容器所带的电荷量：电容器一个极板所带电荷量的绝对值. 上下两极板带等量的正、负电荷 【课堂总结】 ②电容 （1）公式： . （2）单位：法拉（F），其他单位还有微法（μF）和皮法（pF）， 1F=106 μF=1012 pF. （3）物理意义：电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量，是由电容器本身的性质（导体大小、形状、相对位置及电介质）决定的，与电容器是否带电无关. 未连接电源时，Q不变，连接电源时，U不变 【课堂总结】 ③平行电容板的电容 （1）决定因素：平行板电容器的电容C与相对介电常数 成正比，跟正对面积S成正比，跟极板间的距离d成反比. （2）决定式：板间真空时 ，板间有介质时 . （3）平行板电容器间的电场：可以认为是匀强电场且 ，U为两极板间的电压，d为两极板间的距离. 电容器的结构决定了电容器的电容大小 谢谢观看 $