新教材2021-2022学年高中物理人教版必修第三册课件：第10章 4.电容器的电容59 张PPT

4.电容器的电容
课标定位
1.知道电容器的概念,认识常见的电容器,通过实验感知电容器的充、放电现象。
2.理解电容的概念及定义方法,掌握电容的定义、公式、单位,并会应用定义式进行简单的计算。
3.了解影响平行板电容器电容大小的因素,知道平行板电容器的电容公式。
素养阐释
1.通过观察电容器及其充放电现象,了解电容器的电容,培养物理观念。
2.经历影响平行板电容器电容因素的探究过程,体会其中蕴含的思想方法,培养科学探究能力。
3.体会电容器在实际生活中的广泛应用,培养探究新事物的兴趣,培养科学态度与责任。
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
随 堂 练 习
自主预习·新知导学
一、电容器
1.电容器的组成
两个彼此绝缘又相距很近的导体组成一电容器。
2.电容器的充放电过程
二、电容
1.概念: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。
3.物理意义:表示电容器容纳电荷本领的物理量。
4.单位:在国际单位制中,单位是法拉,1 F=106 μF=1012 pF。
5.电容器所带电荷量指的是两个极板所带电荷量的绝对值之和,这种说法正确吗?
提示:不正确。电容器所带的电荷量,是指一个极板所带电荷量的绝对值。
三、常见电容器
1.平行板电容器
(1)构成:在两个相距很近的平行金属板中间夹上一层绝缘物质——电介质,就组成一个最简单的电容器,叫作平行板电容器。
(2)电容的决定因素:两板间的距离d ,两板的正对面积S ,两板间电介质的相对介电常数εr。
2.常见电容器分类
从构造上看,可以分为固定电容器和可变电容器两类。
3.电容器的额定电压和击穿电压
(1)额定电压:电容器能够长期正常工作时的电压。
(2)击穿电压:电介质被击穿时在电容器两极板上的极限电压,若电压超过这一限度,则电容器就会损坏。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)电容大的电容器所带的电荷量一定多。(　　)
(2)电容为C的电容器所带电荷量为Q,若电荷量增大为2Q,则电容变为2C。(　　)
(3)电容器放电的过程就是两极板电荷中和的过程。(　　)
(4)电容器外壳上标的是额定电压。(　　)
×
×
√
√
2.电容器所带电荷量越大,容纳电荷的本领一定越大,这种说法对吗?
提示:不对。容纳电荷的本领用电容来描述,电容器所带电荷量越大,电容不一定越大。
3.当电容器所带电荷量增加时,电容器两极板间的电势差如何变化?所带电荷量Q和板间电势差U的比值是否发生变化?
提示:增大　不变
合作探究·释疑解惑
知识点一
知识点二
知识点三
对电容器电容的理解
问题引领
根据公式 ,能否说电容C与电容器所带的电荷量Q成正比,与两极板间的电势差U成反比?
提示:电容是用比值法定义的物理量,不能说C与Q成正比,与U成反比。
归纳提升
1.电容由电容器本身的构造决定
电容器的电容是反映电容器容纳电荷本领的物理量,用比值
来定义,但电容是由电容器自身的构造决定的,与所带电荷量Q和所加电压U无关。即使电容器不带电,其电容仍然存在,并且是一个确定的值。
2.通过Q-U图像来理解
如图所示,在Q-U图像中,电容是过原点的直线的斜率,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,电容器电容也可以表示为 ,即电容器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。
典型例题
【例题1】 下列关于电容的说法正确的是(　　)
A.电容是反映电容器容纳电荷本领大小的物理量
B.电容器A的电容比B的大,说明A所带电荷量比B多
C.电容器两极板间的电压可以无限增大
D.由公式 知,若电容器两极间电压为10 V,极板所带电荷量为2×10-5 C,则电容器电容大小为5×105 F
答案:A
解析:电容反映电容器容纳电荷本领的大小,A对;电容器A的电容比B的大,只能说明电容器A容纳电荷的本领比B强,与是否带电、带电多少无关,B错;加在电容器两极板上的电压不能超过其击穿电压,否则电容器会损坏,C错;电压为10 V,电荷量为2×10-5 C时,电容 ,D错。
【变式训练1】 (多选)如图所示的各图描述的是对给定的电容器充电时其电荷量Q、电势差U、电容C之间相互关系的图像,其中正确的是(　　)
答案:CD
解析:电容器的电容是由电容器本身属性决定的,与电容器所带电荷量Q的大小和两极板间的电势差U的大小无关,不能认为C与Q成正比,与U成反比,故选项D正确,选项A、B错误。而C图表示电容器所带电荷量与极板间的电势差成正比,其比值即电容器的电容,故选项C正确。
平行板电容器的电容
问题引领
电容式触摸屏的结构示意图如图所示。探讨:


(1)若电容器两极板间的电压不变,用手按外屏时,两极间的距离减小,电容怎么变化?电容器所带电荷量怎么变化?
(2)若电容器所带电荷量不变,用手按外屏,两极间的距离减小时,电容器两极板间的电压怎么变化?
提示:(1)电容器两极板间的电压不变,两极间的距离减小时,电容增大,电容器所带电荷量增大。
(2)若电容器所带电荷量不变,两极间的距离减小时,电容器的电容增大,两极板间的电压减小。
归纳提升
典型例题
【例题2】 如图所示,两块相互靠近彼此绝缘的平行金属板组成平行板电容器,极板N与静电计金属球相连,极板M和静电计的外壳均接地,用静电计测量平行板电容器两极板间的电势差U。在两极板相距为d时,给电容器充电,静电计指针张开一定角度。在整个实验过程中,保持电容器所带的电荷量Q不变,下面的操作中将使静电计指针张角变大的是(　　)
A.仅将M板向下平移
B.仅将M板向右平移
C.仅在M、N之间插入云母板(相对介电常数大于1)
D.仅在M、N之间插入金属板,且不和M、N接触
答案:A
解析:仅将M板向下平移,两极板正对面积减小,由 可知电容减小,而电容器所带电荷量不变,由 可得,板间电压增大,静电计指针张角变大,A正确;仅将M板向右平移,板间距离减小,电容增大,而电容器所带电荷量不变,板间电压减小,静电计指针张角变小,B错误;仅在M、N之间插入云母板,相对介电常数增大,电容增大,而电容器所带电荷量不变,板间电压减小,静电计指针张角变小,C错误;仅在M、N之间插入金属板,相当于板间距离减小,电容增大,而电容器所带电荷量不变,板间电压减小,静电计指针张角变小,D错误。
静电计是在验电器的基础上改造而成的,静电计由相互绝缘的两部分组成,静电计与电容器的两极板分别连接在一起,则电容器两极板间的电势差就等于静电计上所指示的电势差U,U的大小可从静电计的刻度读出,可见,静电计指针偏角的变化表征了电容器两极板间电势差的变化。
【变式训练2】 (多选)如图所示,将平行板电容器与电池组相连,两板间的带电油滴恰好处于静止状态。若将两板缓慢地错开一些,其他条件不变,则(　　)
A.电容器带电荷量不变
B.油滴仍静止
C.电流计中有a→b的电流
D.电流计中有b→a的电流
答案:BC
解析:将两板缓慢地错开一些,两板正对面积减小,根据电容的决定式 ,知电容减小,而电压不变,由Q=CU可知,电容器带电荷量减小,故A错误。由于板间电压和板间距离不变,则板间电场强度不变,油滴所受静电力不变,仍处于静止状态,故B正确。电容器带电荷量减小,处于放电状态,而电容器上极板带正电,下极板带负电,电路中形成逆时针方向的电流,则电流计中有a→b的电流,故C正确,D错误。
实验:观察电容器的充、放电现象
问题引领
如图所示,开关S与“1”端接触后,再与“2”端接触,灯泡是否发光?怎样解释?若发光,电流方向如何?
提示:当开关与“1”接触时,电源给电容器充电,上极板带正电荷,下极板带等量负电荷,当电容器上电压与电源电压相同时,充电完毕,当开关接“2”时,电容器通过灯泡放电,放电电流是从上极板流出沿灯泡向下,随电荷减少电压降低、灯泡逐渐变暗,放电完毕,灯泡熄灭。
归纳提升
1.实验目的
(1)验证电容器的充电和放电。
(2)认识电容器充放电时间与电阻、电容大小之间的关系。
2.实验步骤
(1)按照电路图连接好电路。
(2)先将开关S拨到1上,观察红色二极管是否会亮。并利用电压、电流传感器(与电脑相连)描绘电容器充电电压和电流随时间变化规律。
(3)再将开关S拨到2上,观察绿色二极管是否会亮。并利用电压、电流传感器(与电脑相连)描绘电容器放电电压和电流随时间变化规律。
3.数据处理
由传感器作出给电容器充电时电压和电流随时间变化的图像如图所示。
由传感器作出电容器放电时电压和电流随时间变化的图像如图所示。
4.实验注意事项
(1)电容器要注意极性,负极要与电源负极相连。
(2)发光二极管的正极与电源的正极相连,否则不亮。
(3)注意二极管和电容器的额定电压。
(4)充放电时间比较短。
典型例题
【例题3】 图甲是一种测量电容器的电容的实验电路图,实验通过对高阻值电阻放电的方法测出电容器充电至电压U时所带的电荷量Q,从而再求出待测电容器的电容C。某同学在一次实验时进行了如下操作:
①按图甲所示的电路图接好电路;
②接通开关S,调节电阻箱R阻值,使电流表的指针偏转接近满刻度,记下此时电流表的示数I0=49.0 mA,电压表的示数U0=10.0 V,I0、U0分别是电容器放电时的初始电流和电压;
③断开开关S,同时开始计时,每隔5 s读一次电流值,将测得数据标在图乙所示的坐标纸上(图中小黑点)。
(1)在图乙中画出I-t图线。
(2)图乙中图线与坐标轴所围成面积的物理意义是
?　?　?　?　?　?　?　。?
(3)该电容器的电容为　　　　 F。(结果保留两位有效数字)
答案:(1)见解析　
(2)电容器放电时通过电路的电荷量　
(3)7.5×10-2
解析:(1)用平滑的曲线连接,如图所示



?
(2)由ΔQ=I·Δt知,I-t图像与坐标轴所包围的面积表示电荷量,即电容器放电时通过电路的电荷量。
(3)电荷量为总格子数乘以每个格子的“面积”值,即Q=0.75 C,
【变式训练3】 小明同学想根据学习的知识,估测一个电容器的电容,他从实验室找到8 V的稳压直流电源、单刀双掷开关、电流传感器(与电脑相连,能描绘出电流i随时间t变化的图线)、定值电阻和导线若干,连成如图所示的电路。实验过程如下,完成相应的填空。
(1)先使开关S与1端相连,电源给电容器充电(充满)。
(2)开关S掷向2端,电容器放电,此时电路中有短暂的电流,流过电阻R的电流方向为　　　　　　　　　　(选填“从右向左”或“从左向右”)。?
(3)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曲线如图所示。
(4)根据图像估算出电容器在全部放电过程中释放的电荷量为　　　　 C。?
(5)根据前面的信息估算出该电容器的电容为　　　 F。?
(所有结果均保留两位有效数字)
答案:(2)从右向左　(4)2.5×10-3　(5)3.1×10-4
解析:(2)开关S与1端相连,电源给电容器充电,上极板带正电;开关S掷向2端,电容器放电,流过电阻R的电流方向为从右向左。
(4)i-t曲线与坐标轴围成面积表示对应的电荷量,大于半格的算一格,小于半格的不算。
则电荷量为Q=31×0.2 mA×0.4 s≈2.5×10-3 C。
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.(对电容的理解)下列关于电容的说法正确的是(　　)
A.电容器简称电容
B.电容器A的电容比B的大,说明A所带电荷量比B多
C.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荷量
D.由公式 知,电容器的电容与电容器两极板间的电压成反比,与电容器所带的电荷量成正比
答案:C
解析:本题考查对电容器、电容的理解,培养物理观念。电容器和电容是两个不同的概念,A错;电容器A的电容比B的大,只能说明电容器A容纳电荷的本领比B强,与所带电荷量的多少无关,B错;电容器的电容大小和它的两极板所带的电荷量、两极板间的电压、电容器的体积等无关,D错;由电容的定义知C正确。
2.(平行板电容器的电容)右图为可变电容器,由一组动片和一组定片组成,这两组金属片之间是互相绝缘的,动片旋入得越多,则(　　)
A.正对面积越大,电容越大
B.正对面积越大,电容越小
C.动片、定片间距离越小,电容越大
D.动片、定片间距离越小,电容越小
答案:A
解析:可变电容器动片旋入得越多,正对面积越大。由平行板电容器的电容决定式 知,电容器的正对面积越大,电容越大,A项正确。
3.(平行板电容器的动态分析)下图为研究影响平行板电容器电容的因素的实验装置,以下说法正确的是(　　)
A.A板与静电计的指针带的是异种电荷
B.甲图中将B板上移,静电计的指针偏角减小
C.乙图中将B板左移,静电计的指针偏角不变
D.丙图中将电介质插入两板之间,静电计的指针偏角减小
答案:D
解析:本题考查影响平行板电容器电容的因素,培养实验探究能力。静电计指针与A板连为一个导体,带电性质相同,A错误;根据 ,B板上移,S减小,C减小,Q不变,U增大,B错误;B板左移,d增大,C减小,U增大,C错误;插入电介质,εr增大,电容C增大,U减小,D正确。
4.(电容的计算)如图所示,一平行板电容器接在U=12 V的直流电源上,电容C=3.0×10-10 F,两极板间距离d=1.2×10-3 m,g取10 m/s2。

?
(1)求该电容器所带电荷量。
(2)若板间有一带电微粒,其质量m=2.0×10-3 kg,恰在板间处于静止状态,则该微粒电荷量为多少?带何种电荷?
答案:(1)3.6×10-9 C　(2)2.0×10-6 C　负电荷