2021-2022学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册-10.4 电容器的电容（第1课时）学案

第十章 第4节 电容器的电容（第1课时）
课程标准：1、观察常见的电容器，了解电容器的电容；2、观察电容器的充、放电现象；
能举例说明电容器的应用。
教学重点：理解电容的定义式和决定式；
教学难点：电容器的充放电现象。
课前复习
一、认识电容
1．电容器 (1)组成：由两个彼此（ ）又相互靠近的导体组成。
(2)带电荷量：一个极板所带电荷量的（ ）。
(3)电容器的充、放电
①充电：使电容器带电的过程，充电后电容器两个极板分别带上等量的（ ），电容器中储存电能。
②放电：使充电后的电容器失去电荷的过程，放电过程中（ ）转化为其他形式的能。
2．电容
(1)定义：电容器所带的（ ）与两个极板间的（ ）的比值。(2)定义式：。
(3)单位：法拉(F)、微法(μF)、皮法(pF)，1 F＝106μF＝1012pF。
(4)意义：表示电容器（ ）本领的高低。
(5)决定因素：由电容器本身物理条件(大小、形状、相对位置及电介质)决定，与电容器是否（ ）无关。
3．平行板电容器的电容 (1)决定因素：两板间的距离、正对面积、介电常数。 (2)决定式：C＝。
4．常用电容器 (1)分类：从构造上看，可分为（ ）电容器和（ ）电容器。
(2)击穿电压与额定电压：加在电容器极板上的电压不能超过某一限度，超过这个限度，（ ）将被击穿，电容器损坏，这个极限电压叫作击穿电压；电容器外壳上标的电压是（ ）电压，或称额定电压，这个数值比击穿电压低。
5．带电粒子在电容器中的平衡和匀变速直线运动
(1)粒子所受合外力F合＝0，粒子做匀速直线运动或静止。
(2)粒子所受合外力F合≠0，且与初速度方向在同一条直线上，带电粒子将做匀加速直线运动或匀减速直线运动。
6．判断正误
(1)电容器所带的电荷量是指每个极板所带电荷量的代数和。( )
(2)电容器的电容与电容器所带电荷量成反比。( )
(3)放电后的电容器电荷量为零，电容也为零。( )
(4)带电粒子在匀强电场中只能做类平抛运动。( )
(5)带电粒子在电场中，只受电场力时，也可以做匀速圆周运动。( )
(6)平行板电容器中插入一块金属板后，其电容不变( )
(7)带电粒子在电场中运动时重力一定可以忽略不计。( )
课堂讲解
例1．（认识电容器）(2019·浙江4月选考)下列器件中是电容器的是(　　)
变式1．关于电容器的电容，下列说法中正确的是(　　)
A．电容器所带电荷量越多，电容越大
B．电容器两板间电压越低，其电容越大
C．电容器不带电时，其电容为零
D．电容器的电容只由它本身的特性决定
（定义式的应用）（教材必修三P43页第3题）有一个已充电的电容器，两极板之间的电压为3 V，所带电荷量为4.5×10-4 C，此电容器的电容是多少？将电容器的电压降为2 V，电容器的电容是多少？所带电荷量是多少？
变式2.（教材必修三P43页第4题） 心室纤颤是一种可能危及生命的疾病。一种叫作心脏除颤器的设备，通过一个充电的电容器对心颤患者皮肤上的两个电极板放电，让一部分电荷通过心脏，使心脏完全停止跳动，再刺激心颤患者的心脏恢复正常跳动。图10.4-10是一次心脏除颤器的模拟治疗，该心脏除颤器的电容器电容为15 μF，充电至9.0 kV电压，如果电容器在2.0 ms时间内完成放电，这次放电有多少电荷量通过人体组织？
例3. （与公式的应用）（教材必修三P50页第5题）有一个平行板电容器，电容是μF，所带电荷量为C。如果两板间的距离为1 mm，电容器两极板间的电场强度是多少？
二、实验：观察电容器的充、放电现象
该实验属于演示实验，考点相对单一，但由于该实验是新高考新增实验，复习时也应引起重视。
1．实验原理及操作
(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，在电场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，将电容器的两极板直接用导线连接起来，电容器正、负极板上电荷发生中和。在电子移动过程中，形成电流，放电开始电流较大，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，最后减小到零。
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。
3．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，以免烧坏电流表。
例4　(2021·江苏省扬州市高三上期中)某同学通过实验观察电容器的放电现象，采用的实验电路如图甲所示，已知所用电解电容器的长引线是其正极，短引线是其负极。
(1)按图甲连接好实验电路，开关S应先接到______，再接到______(选填“1”或“2”)，观察电容器的放电现象。
(2)根据图甲电路，请在图乙中用笔画线代替导线，完成实物电路的连接。
(3)电容器开始放电，同时开始计时，每隔5 s读一次电流i的值，记录数据如下表。
时间t/s 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
电流i/μA 500 392 270 209 158 101 75 49 30 23 9 3
请根据表中的数据，在图丙中作出电流i随时间t变化的图线。
变式3．在“观察电容器的充、放电现象”实验中，电路如图甲所示。
(1)将开关S接通1，电容器的________(选填“上”或“下”)极板带正电，再将S接通2，通过电流表的电流方向向________(选填“左”或“右”)。
(2)若电源电动势为10 V，实验中所使用的电容器如图乙所示，充满电后电容器正极板带电荷量为________C。(结果保留两位有效数字)
(3)下列关于电容器充电时，电流I与时间t的关系或所带电荷量q与两极板间的电压U的关系，正确的是________。
课后练习
1．（多选）（教材必修三P43页第2题）有人用下图描述某电容器充电时，其电荷量Q、电压U、电容C之间的相互关系，正确的有（ ）
2. (2020·北京市东城区一模)如图所示，电容器上标有“80 V　1000 μF”字样。下列说法正确的是(　　)
A．电容器两端电压为0时其电容为零
B．电容器两端电压为80 V时才能存储电荷
C．电容器两端电压为80 V时储存的电荷量为0.08 C
D．电容器两端电压低于80 V时其电容小于1000 μF
3．（选做题）(2021·山东省济南市高三月考)(8分)如图甲所示，一同学在“用传感器观察平行板电容器的放电”实验中，单刀双掷开关先置于1位置，待一段时间后，再置于2位置，利用电容器放电过程中记录的数据作出的I t图像如图乙所示，已知电源电动势为8.0 V，请回答以下问题：
(1)电容器在全部放电过程中释放的电荷量约为________ C(结果保留两位有效数字)。
(2)根据以上数据估算电容器的电容值为________ F(结果保留两位有效数字)。
(3)如果将平行板电容器的板间距离增大，重做该实验，则图乙坐标纸中描绘出的放电I t图像距坐标原点会________(选填“变远”“变近”或“不变”)。
本节课反馈（学生填写建议并反馈本节课掌握情况）：
参考答案：
课前复习：
绝缘 绝对值 异种电荷 电能
电荷量 电势差 容纳电荷 带电及电压
4、固定 可变 电介质 工作
6、××××√××
课堂讲解：
例题1 答案 B
解析：A选项为滑动变阻器，B选项为电容器，C选项为电阻箱，D选项为电阻，B正确。
变式1答案　D
解析:电容器所带电荷量越多，板间电压越大，但电容不变，A错误；电容器所带电荷量越少，其两板间电压越低，但电容不变，B错误；电容表示电容器容纳电荷本领的大小，电容器不带电时，其电容不为零，C错误；电容表示电容器容纳电荷本领的大小，由电容器本身的特性决定，D正确。
例题2 答案：；；
解析：电容器的电容；将电容器的电压降为2V，电容器的电容不变，所以。
变式2 答案：
解析：根据电容公式：
例题3 答案：V/m
解析：电容器两极板间的电压为如果两板间的的距离为1mm，则电场强度为V/m.
例题4 (1)1、2 (2)图见解析 (3)图见解析。
(1)连接好电路图，开关S应先接到1对电容器进行充电，再接到2使电容器放电，观察电容器的放电现象。
(2)根据图甲所示电路图连接实物电路图，注意电容器正极接电流表正接线柱，实物电路图如图所示。
(3)根据表中实验数据在图丙中描出对应点，然后画一条平滑曲线，让尽可能多的点过曲线，不能过曲线的点大致均匀分布在曲线两侧，作出图像如图所示。
变式3 答案：(1)上　左　(2)3.3×10－2　(3)A
解析：(1)开关S接通1，电容器充电，根据电源的正负极可知电容器上极板带正电。开关S接通2，电容器放电，通过电流表的电流方向向左。
(2)充满电后电容器所带电荷量
Q＝CU＝3 300×10－6F×10V＝3.3×10－2C。
（3）电容器充电过程中，电流逐渐减小，随着两极板电荷量增大，电流减小的越来越慢，电容器充电结束后，电流减为0，A正确，B错误；电容是电容器本身具有的属性，根据电容的定义式C＝可知，电荷量与电压成正比，所以图线应为过原点的直线，C、D错误。
课后练习：
答案：BCD
解析：电容器的电容只跟电容器有关，跟是否带电无关，因此A错误，B、D正确。对于同一个电容器，其电荷量与电压成正比，C正确。
2、答案：C
解析：电容表征电容器容纳电荷的本领大小，与电压U和电量Q无关，给定的电容器电容C一定，故A、D错误；由于电容一定，由Q＝CU可知，电容器两端只要有电压，电容器就能存储电荷，故B错误；由Q＝CU可知，电容器两端电压为80 V时储存的电荷量为Q＝1000×10－6×80 C＝0.08 C，故C正确。
3、答案：(1)3.2×10－3(3.0×10－3～3.4×10－3均正确)(2)4.0×10－4(3.8×10－4～4.3×10－4均正确)
(3)变近
解析：(1)根据图乙中的I t图像可知，图线与t轴所围的面积即为电容器释放的电荷量；图线与t轴所围部分所占的小方格约为40个，所以电容器在放电过程中释放的电荷量为Q＝40×0.2×10－3×0.4C＝3.2×10－3C。
(2)电容器的电容值为C＝＝F＝4.0×10－4F。
(3)根据C＝可知，平行板电容器的板间距离增大即d变大时，C变小；再根据Q＝CU，U不变，C变小，所以电容器在全部放电过程中释放的电荷量Q变小，即图线与坐标轴所围的面积变小，而放电开始时的电流Imax＝不变，所以放电I t图像与坐标原点的距离将变近。
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