《第十章 静电场中的能量》学习活动设计六：电荷的储存器——电容器（word版教案）

《第十章 静电场中的能量》学习活动设计六：电荷的储存器——电容器
　　课堂教学：
　　【任务情景】
　　水可以用容器储存起来，电荷也可以用一个“容器”储存起来。图中的元件就是这样的“容器”——电容器。那么，它内部的构造是怎样的？它是怎样“装进”和“倒出”电荷的呢？
　　【学习任务一】什么是电容器
　　教师活动：组织学生观察、总结。
　　情景一：展示电容器实物，以平行板电容器为主，并拆开纸介质电容器引导学生观察。
　　提问：这些电容器有哪些共同特征？
　　预测学生回答：每个电容器都有两块极板和极板间的介质。
　　学生讨论总结：两块极板中间夹上一层绝缘物质，就组成了电容器。
　　【学习任务二】电荷的储存与释放——电容器的充、放电现象
　　教师活动：演示实验，组织学生观察、交流和讨论。
　　情景二：把直流电源、电阻、电容器、电流表、电压表以及单刀双掷开关组装成实验电路。（如图所示）
　　提问1：开关S接到1、2，分别对应电容器的什么状态？
　　预测学生回答：开关S接到1时，电源给电容器充电；开关S接2，电容器对电阻R放电。
　　提问2：电容器充电、放电过程中，电路中电荷如何移动？电流如何变化？电容器两极板间电势差如何变化？
　　预测学生回答：通过观察电流表可以知道，充电时电流由电源的正极流向电容器的正极板。同时，电流从电容器的负极板流向电源的负极。随着两极板之间电势差的增大，充电电流逐渐减小至0，此时电容器两极板带有一定的等量异种电荷。放电时电流由电容器的正极板经过电阻R流向电容器的负极板，正负电荷中和。此时两极板所带的电荷量减小，电势差减小，放电电流也减小，最后两极板电势差以及放电电流都等于0。
　　提问3：两过程中涉及到怎样的能量变化？
　　预测学生回答：充电过程，电源的能量储存在电容器中，放电过程，电容器的能量转化为其他形式的能量。
　　学生讨论总结：
　　电容器充电的过程中，两极板的电荷量增加，极板间的电场强度增大，电源的能量不断储存在电容器中；放电的过程中，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。
　　教师引导提升：由于电容器的充放电过程很快，为了能更好的得到实验数据，可以用传感器观察电容器的充、放电过程。
　　【学习任务三】电容器的电容
　　教师活动：引导学生设计实验、交流、分析
　　情景三：在电容器充电的实验中，我们看到，电容器两极板之间的电势差增大时，电流表的示数不为 0，这表明电容器所带的电荷量也在增加。
　　提问 1：电容器所带的电荷量跟两极板间的电势差是否存在某种定量关系？
　　预测学生回答：电容器所带电荷量越多，两极板间的电势差越大。
　　提问 2：能否设计实验验证自己的猜测？
　　预测学生回答：能。
　　提问 3：怎样定量控制电容器极板所带的电荷量？
　　预测学生回答：可以利用库仑实验中用到的“平分电荷量”的方法。
　　提问 4：分析实验数据，可以得出怎样的结论？
　　预测学生回答：电容器所带电荷量越多，两极板间的电势差越大。并且同一个电容器，二者的比值不变。
　　学生讨论总结：一个电容器所带的电荷量Q与两极板之间的电势差U之比是不变的。不同的电容器，这个比一般是不同的。
　　提问5：如果需要一个物理量去表征电容器储存电荷的特性，这个物理量可以如何定义？
　　预测学生回答：可以用电容器所带的电荷量Q与两极板之间的电势差U的比值定义为一个物理量。
　　提问6：这个比值我们称之为电容器的电容。你觉得用和定义电容哪个更好？
　　预测学生回答：两个都可以，可能更符合人们的日常习惯。
　　提问7：电容用C表示，那么其定义式为C=，其中Q表示电容器一个极板所带电荷量的绝对值。上式表示，电容器的电容在数值上等于使两极板间的电势差为1V时电容器需要带的电荷量。根据公式是否可以说电容C与电容器所带的电荷量Q呈正比，与两极板间的电势差呈反比？能否举出用同样的定义方式的物理量？
　　预测学生回答：不能，电容表征的是电容器本身的特性，只与电容器本身有关。这种利用物理量之比定义的物理量有很多，加速度、电场强度、电势等等好多物理量都是用这种方式定义的。
　　教师引导提升：电荷量Q与电势差U之比表征了电容器储存电荷的特性。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。
　　【学习小结】
　　教师：组织学生回答一开始的任务情景中的问题
　　参考答案：电容器的基本构造为两极板，中间夹上绝缘介质。通过电源给电容器“装进”电荷；让电容器在电路中充当电源，可以将电荷“倒出”。
　　【学习评价自测】
　　1.下列说法正确的是（　　）
　　A.电容器不带电时电容为零
　　B.电容器的电容大小和加在电容器两端的电压有关
　　C.电容是描述电容器容纳电荷本领大小的物理量
　　D.电容器中加入电介质，电容不变
　　答案：C
　　解析：A、B、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错误，B错误；
　　C、电容是描述电容器容纳电荷本领大小的物理量，故C正确；
　　D、平行板电容器的电容大小取决于两板间的距离、正对面积以及介电常数，加入电介质后电容发生变化，故D错误。故选：C。
　　2.某一电容器在正常的充电过程中，两个极板间的电压U随电容器所带电荷量Q的变化而变化。图中能够正确反映U和Q关系的图象是（　　）
　

　　答案：A
　　解析：根据C=可知，由于电容器不变，因此电压U和电量Q成正比，故A正确BCD错误故选：A。
　　3. 如图所示为某同学利用传感器研究电容器放电过程的实验电路，实验时先使开关S与1端相连，电源向电容器充电，待电路稳定后把开关S掷向2端，电容器通过电阻放电，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曲线，这个曲线的横坐标是放电时间，纵坐标是放电电流。仅由这个i﹣t曲线所提供的信息可以估算出（　　）
　　A.电容器的电容
　　B.一段时间内电容器放电的电荷量
　　C.某时刻电容器两极板间的电压
　　D.一段时间内电阻产生的热量
　　答案：B
　　解析：由横轴与纵轴的乘积即为电量，即可求解电荷量，电容，但不知电压，则无法求电容，也无法求热量，故B正确，ACD错误。故选：B。