2.5 科学探究：电容器-高一物理鲁科版必修第三册同步课件(共33张PPT)

(共33张PPT)
第2章　电势能与电势差
第5节　科学探究：电容器
课标要求 素养形成
1.观察常见的电容器，了解电容器的电容 2.能举例说明电容器的应用 1.物理观念：知道电容器的概念，认识常见的电容器
2.科学思维：理解电容表示电容器容纳电荷的本领大小，知道电容的定义方法，了解电容器的电势差和带电荷量的关系
3.科学探究：判断电容器在充电和放电过程中，两极板储存电荷量的变化
学习目标
1.我们用手机或相机照相时，光线不足的时候会打开闪光灯，闪光灯发出的光很亮，相机的电源电压是4.3V，仅靠这种电源能使它发出这么强的光吗？闪光的能量是从哪里来的呢？
【答案】不能，闪光的能量是从电容器里来的。
新课引入
2.以下两个不同的容器，哪个容器容纳水的本领大？
【答案】根据要使水面升高1cm所需的水量不同，乙容器比甲容器所需要的水量多，说明了乙容器容纳水的本领比甲容器大。
新知梳理
一、观察电容器的充、放电现象
1.电容器：能储存　　　 的电学元件。　　　 电容器是最简单的，也是最基本的电容器。
2.电容器的充、放电现象
(1)充电：把电容器的两个极板分别和电源的两极板相连使两极板分别带上　 的过程。
(2)放电：把充电后的电容器的两个极板接通，两极板上的电荷互相中和，使电容器　　　　　的过程。
电荷
平行板
等量异种电荷
不再带电
(3)电场能：充电后的电容器因为两极板上有电荷，所以存在电能，从而使电容器储存电能。
二、电容器的电容
1.电容
定义：电容器所带的电荷量Q与电容器两极板之间的　　 之比。
表达式：C=　 ，表征了电容器　　　　　的特性。
单位：法拉，符号为F；此外还有微法(μF)、皮法(pF)。
电压U
储存电荷
2.平行板电容器电容
(1)影响平行板电容器电容大小的因素：　　　平行板电容器两极板的正对面积、　　 两极板之间的距离都能增大平行板电容器的电容；在两极板之间插入电介质能　　 平行板电容器的电容。
(2)表达式：C= ，εr为电介质的相对介电常数。当两极板间是真空时，C= ，式中k为静电力常量。
增大
减小
增大
三、常用电容器
1.从电容是否可变来分，可以分为固定电容器和可变电容器。
2.电容器外壳上标有电容、电压等，其中所标电压为额定电压，如果实际电压超过额定电压，电容器的电解质有被击穿的危险，其耐压的极限值称为击穿电压。
几种常见的电容器
核心突破
1.电容器充、放电特点
(1)充电过程是将电能储存在电容器中的过程。充电过程特点：
①充电电流方向为从电源的正极流出的电流的方向。
②电容器所带电荷量增加。
③电容器两极板间电压升高。
④电容器中电场强度增大。
⑤充电过程中电容器从电源获取的能量为电能
要点一　观察电容器的充、放电现象
(2)放电过程是将储存的电场能转化为其他形式能量的过程。放电过程特点：
①放电电流方向是从正极板流出的电流的方向。
②电容器两极板上电荷量减少。
③电容器两极板间电压降低。
④电容器中电场强度减小。
⑤电容器的电场能转化成其他形式的能量。
例1 把电容器、电流传感器、电阻、电源、单刀双掷开关按图甲所示连接。先使开关S与1端相连，电源给电容器充电；然后把开关S掷向2端，电容器通过电阻R放电。与电流传感器相连接的计算机(图中未画出)可记录电流随时间变化的I-t图像，规定逆时针的电流流向为正。
图乙是某次实验中与电流传感器相连接的计算机所记录的I-t图像，可判断出该图像记录的是电容器的　　　 过程(选填“充电”或“放电”)。请你用语言描述在此过程中电流随时间如何变化：　　 。
【答案】充电，电流随时间的增加逐渐减小到零，且电流减小得越来越慢
【解析】由题图乙所示I-t图像可知，电流为正值，则电流流向为逆时针方向，与电源提供的电流方向一致，即该图像记录的是电容器的充电过程，电容器所带电荷量逐渐增加。由图像可知，在此过程中，电流随时间的增加逐渐减小到零，且电流减小得越来越慢。
规律归纳
充电电流与放电电流：
(1)电容器两极板间的电介质使两极板之间绝缘，所以充电结束后的电容器相当于断路。
(2)而充电过程中电荷由电源定向移动，在两极板上聚集，故电路中有充电电流，而且电流流向正极板。
(3)放电时，电容器极板上的电荷减少，有放电电流，且电流从正极板流出。
公式 C= C=
公式性质 定义式 决定式
适用范围 任何电容器 平行板电容器
意义 对于某电容器Q∝U，但 =C不变，反映电容器容纳电荷的本领 平行板电容器，其他条件相同时C∝εr，
其他条件相同时C∝S，其他条件相同时C∝，反映了影响平行板电容器电容的因素
1、两公式C= 与C= 的比较
要点二　电容器的电容
2、通过Q-U图像来理解C= ，如图所示，在Q-U图像中，直线的斜率的绝对值表示电容，其中Q为一个极板上所带电荷量的绝对值，U为两极板间的电势差，可以看出，电容器的电容也可以表示为C= ，即电容器的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所需增加(或减少)的电荷量。
例2 有一充电完成的平行板电容器，两极板间电势差为3V，现使它的电荷量减少3×10-4C，于是电容器两极板间的电势差降为原来的 ，则此电容器的电容是多大？电容器原来带的电荷量是多少？若将电容器极板上的电荷全部放掉，电容器的电容是多大？
【答案】见解析。
【解析】电容器两极板间电势差的变化量为ΔU= U= ×3V=2V，
由C= ，得C= F=1.5×10-4 F=150 μF，
设电容器原来带的电荷量为Q，则：
Q=CU=1.5×10-4×3 C=4.5×10-4 C，
电容器的电容是由其本身决定的，与是否带电无关，所以电容器极板上的电荷量全部放掉后，电容仍然是150 μF。
1、固定电容器充、放电过程
(1)两极板间电压U不变时，Q不变。
(2)两极板间U变化时，Q变化，Q变大表示充电，Q变小表示放电，无论充电还是放电过程，都没有电荷通过电容器。
(3)充、放电过程中，每个极板的带电荷量Q及两极板间电场强度E随之变化，也满足能量守恒定律，电场能和其他形式的能相互转化。
要点三　电容器的动态分析
3、分析思路
(1)确定不变量，分析是电压不变还是所带电荷量不变。
(2)用决定式C= 分析平行板电容器电容的变化。
(3)用定义式C= 分析电容器所带电荷量或两极板间电压的变化。
(4)用E= 分析电容器两极板间电场强度的变化。
2、平行板电容器动态分析的两类情况
(1)平行板电容器两极板始终与电源两极相连(此时板间电压U保持不变)。
(2)平行板电容器充电后与电源断开(此时电荷量Q保持不变)。
题组过关
例3 如图所示电路中，A、B是构成平行板电容器的两金属极板，P为其中的一个定点。将开关S闭合，电路稳定后将A板向上平移一小段距离，则下列说法正确的是(　)
A.电容器的电容增加
B.在A板上移过程中，电阻R中有向上的电流
C.A、B两板间的电场强度增大
D.P点电势升高
B
【解析】根据C= ，A板向上平移一小段距离，间距d增大，其他条件不变，则导致电容变小，故A错误；在A板上移过程中，电容减小，由于极板间电压不变，所以电荷量减小，因此电容器处于放电状态，电阻R中有向上的电流，故B正确；根据E= 、C= 与C= 可得E= ，由于电荷量减小，电场强度减小，故C错误；因电场强度变小，导致P点与B板间的电势差减小，因B板接地，电势为零，即P点电势降低，故D错误。
当堂检测
1、对于两个电容不同的电容器，下列说法正确的是(　)
A.电容大的电容器带电荷量一定比较多
B.电容大的电容器两板间的电势差一定比较大
C.由C= 知，电容器所带电荷量Q只要不断增大，U可无限增大
D.在充电电压相同的情况下，带电荷量多的电容器的电容比较大
D
【解析】电容的大小与电容器两端的电压及电容器所带的电荷量无关，故A错误；根据公式C= 得，电势差U= ，因此电容大的电容器两板间的电势差不一定比较大，故B错误；超过击穿电压，电容器将被损坏，故C错误；根据公式C= ，在充电电压相同情况下，带电荷量多的电容器的电容比较大，故D正确。
2、如图所示，高一学生在学考报名时进行了指纹采集。电容式指纹识别器的原理是手指与传感器表面接触时，皮肤表面会和传感器上许许多多相同面积的小极板一匹配成电容不同的平行板电容器，从而识别出指纹的纹路。下列说法正确的是(　)
A.极板与指纹嵴(凸的部分)构成的电容器电容大
B.极板与指纹沟(凹的部分)构成的电容器电容大
C.若充电电压变大，所有电容器电容增大
D.若充电电压变大，所有电容器电容减小
A
【解析】极板与指纹嵴(凸的部分)间距较小，即对电容器来说，相当于电容器极板间距离d较小，根据C= 可知，d小的电容大，故A正确，B错误；电容的大小是由电容器本身结构决定的，与充电电压无关，故C、D错误。
3、(多选)电子眼系统通过路面下埋设的感应线来感知汽车的压力。感应线是一个压电薄膜传感器，压电薄膜在受压时两端产生电压，压力越大电压越大，压电薄膜与电容器C和电阻R组成图甲所示的回路，红灯亮时，如果汽车的前、后轮先后经过感应线，回路中产生两脉冲电流，如图乙所示，即视为“闯红灯”，电子眼拍照。则红灯亮时(　　)
BD
A.车轮停在感应线上时，电阻R上有恒定电流
B.车轮经过感应线的过程中，电容器先充电后放电
C.车轮经过感应线的过程中，电阻R上的电流先增大后减小
D.汽车前轮刚越过感应线，又倒回到线内，仍会被电子眼拍照
【解析】车轮停在感应线上时，压力不变，则电压不变，电容器不充电，也不放电，电阻R上没有电流，故A错误；由题图乙可知，当车轮经过感应线时，电流先增大后减小，然后再反向增大后减小，因电压是在受压时产生的，故说明电容器先充电后放电，故B正确，C错误；若汽车前轮刚越过感应线，又倒回到线内，则前轮两次压线，仍形成两个脉冲电流，符合拍照条件，电子眼仍会拍照，故D正确。
4、如图所示，心脏除颤器用于刺激心脏恢复正常的跳动，它通过皮肤上的电极板使电容器放电。已知某款心脏除颤器可以在一分钟内使电容为70μF的电容器充电到5000V，存储875J能量，抢救病人时电容器中一部分能量在2m/s脉冲时间通过电极板放电进入身体，此脉冲的平均功率为100 kW。下列说法正确的是(　)
A.电容器放电过程中电压不变
B.电容器充电至2500V时，电容为35μF
C.电容器充电至5000V时，电荷量为35C
D.电容器所释放出的能量约占存储总能量的23%
D
【解析】电容器放电过程，电荷量减少，电压减小，选项A错误；电容不随电压、电荷量的变化而变化，选项B错误；
由C= 知Q=CU=70×10-6×5×103 C=0.35 C，选项C错误；
由η= 知，η= ×100%≈23%，选项D正确。
谢
观看
谢