18《电容器的电容》教学设计.docx

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18《电容器的电容》教学设计

《电容器的电容》

一、教材分析

《电容器的电容》是属于人教版高中物理选修3-1第一章静电场第8节内容。

电容器是一种重要的电学元件，在电气设备中有着广泛的应用。

学生已经学习了研究电容器需要涉及的电势差、电荷量等知识，同时也基本掌握了比值定义法、控制变量法等研究物理问题的方法，具有了一定的用数学工具解决物理问题的能力。

所以本节教学的核心是引导学生应用所学的知识与形成的方法研究电容器，探究电容概念的内涵。

电容的概念是本节的重点，也是难点。

电容又是一个比值定义的物理量，引出这一比值的关键，学生知道电容器容纳电荷的本领是定的，而电容器所带的电荷量与两极板间的电势差成正比，其比值能反映电容器本身的性质。

影响平行板电容器电容大小的因素是本节教学内容的又一难点，在引导学生做好教科书中的演示实验的前提下，由定性实验到定量探究是突破该难点的好办法，符合学生认知规律，学生也更易于接受。

二、教学设计思路

本节课是一节物理概念形成课，主要通过问题探究和实验探究开展教学。

先让学生观察电容器放电现象，既激发了学生兴趣，又为学生了解电容器的作用做铺垫。

再通过自制电容器让学生体验“触电”感觉，感受电容器的储电作用给学生一种真实的体验与认识，并由学生通过观察自制电容器，了解电容器的构造，这样更符合学生的认知规律。

通过学生自主观察电容器的充、放电过程中灵敏电容计指针的偏转情况，定性了解充、放电过程的特征；由于电容器的充、放电时间极短，学生只能观察电流计指针有无偏转，以及偏转角度的变化，但对于固定电容器储存的电量与电压之间是否存在定量关系，采用课本中的实验无法达到这一目的，根据这一实验就得出电量与电压的比值为定值不能令学生信服。

为了克服这一障碍，本节课进一步用电流传感器代替电流计，与学生共同实验，再次观察电容器的充、放电，这一方面可以进一步说明通过不同的实验器材，得到的实验现象是相同的，但实验的精度不一样，借助电流传感器可以较好地显示电容器充、放电的短暂过程，并通过电脑输出电流随时间变化的波形图，借助数学工具积分的方法通过电脑直接求出电量。

学生通过这一实验，直观形象的建立了充、放电暂态过程，也解决了指针偏转后是自由返回，还是充、放电有约束式返回。

尤其是可以通过电脑处理数据，运用图表功能直接快速描点，便于学生观察，并很容易得出定值电容的电压与电量的线性关系。

通过实验学生能够明白“电容”概念的内涵及其物理意义，同时进一步培养学生利用图像处理问题的能力，为突破难点作了前期铺垫。

最后通过演示实验，利用控制变量法定性探究平行板电容器的电容与哪些因素有关。

学生亲历电容概念形成的过程，递进式感悟，从而理解电容的概念，突破难点。

三、教学目标

知识与技能

1.知道电容器的概念，认识常见的电容器；

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.通过实验了解影响平行板电容器电容大小的因素，了解平行板电容器的电容公式，知道改变平行板电容器电容大小的方法。

过程与方法

1.通过实验感知电容器的充、放电过程；

2.通过实验探究电容器带电量与电势差的关系，运用比值定义法定义电容；

3.运用控制变量法分别定性、定量探究影响平行板电容器电容大小的因素。

情感态度与价值观

1.培养探究精神，激发探究热情；

2.养成实事求是的科学态度，形成勤于设疑、敢于猜想、勇于求证、善于总结的科学精神。

教学重点与难点

1.电容的概念是本节的重点和难点，通过实验探究电容器带电量与电势差的关系，理解电容器电容的定义；

2.影响平行板电容器电容大小因素的探究是本节的难点，运用演示实验进行定性探究突破难点。

四、电容器概念教学路径图：

5、教学过程

（一）创设情境，激活思维，引入概念

演示实验1：

展示自制的电容器（如右图），这是一个玻璃杯，它是一个可以用来装水的容器。

那么它可以用来装电吗？

用感应发电机给电容器充电，再将两极对接，请同学们观察看到的现象，说明什么？

也可以让几个学生搭肩，第一个同学双手触摸两极体验电容器“储电”作用，让学生说说体验，思考说明什么？

点评：

通过上面的演示实验和学生的体验，学生惊讶于玻璃还可以装电，激发学生兴趣，引发学生思考。

自觉地思考：

这个琉璃为什么可以装电？

很自然的就可以引入能够储存电荷的容器叫电容器。

实物展示：

展示生活中常见的电容器

电容器的历史：

莱顿瓶是1745年由荷兰莱顿大学教授P.穆森布罗克（1696-1761）发明的，是最原始的电容器。

点评：

先让学生观察电容器放电现象，既激发了学生兴趣，又为学生了解电容器的作用做铺垫。

再通过自制电容器让学生体验“触电”感觉，感受电容器的储电作用给学生一种真实的体验与认识，同时通过实物展示使学生对电容器有更多的感性认识，同时了解了电容器的历史。

并由学生通过观察自制电容器，了解电容器的构造，这样更符合学生的认知规律。

（二）实验探究，理解和形成电容器概念

1、电容器的构造

思考1：

电容器为什么能够储存电荷呢？

拆开自制电容器，让学生观察分析电容器的构造。

形形色色、多种多样的电容器都有三个基本组成：

1）两个绝缘且相距很近的导体－－极板；2）中间夹一层绝缘物物质－－电介质

思考2：

相邻两同学是否构成电容器？

两个平行金属板（夹上一层绝缘物质）能否构成一个电容器？

总结：

平行板电容器，它是一种最简单的电容器。

任何两个互相靠近彼此绝缘的导体都可以构成电容器。

点评：

自制电容器，结构简单且更易说明电容器的构造，直观形象，更有真实感，学生容易接受。

2、电容器的性质——充电和放电

思考3、它是怎么储存电荷的？

需要电荷怎么办？

演示实验2：

按胜昔演示电路图和实物图如下图所示：

观察实验并记录数据：

学生观察电容器的充放电过程，认识电容器的工作形式——充电、放电过程。

表1：

电容器的充、放电过程

充电过程

放电过程

电流方向

板间电量

板间电势差

板间场强

能量转化

演示结合问题探究电容器的充电过程：

1、开关打到哪边是充电？

2、开关打到1，猜想灵敏电流计的指针如何变化？

3、充电完毕后，上、下极板各带什么电？

4、充电完毕后，两板间是否有电势差？

5、电容器所带电量是多少？

6、开关打到2，狂想灵敏电流计的指针如何变化？

7、充电、放电的过程，电路中的能量如何转化？

应用1：

在如此短的时间内，仅靠电池直接供电，闪光灯能发出如此耀眼的光芒吗?

总结：

1、

（1）充电：

电容器两板分别接在电池两端,两板带上等量异种电荷的过程。

特点：

QUE都增大，电能转化为电场能。

（2）放电：

充了电的电容器的两板用导线相连,使两板上正、负电荷中和的过程。

2、特点：

QUE减小，电场能转化为其他形式的能。

电容器的每一个极板所带电量的绝对值,叫做电容器的带电量.

3、电容器是能够储存电荷和需要时释放电荷的器件。

为了更进一步探究电容器充、放电过程特点，用电流传感器代替灵敏电流计，它可以捕捉到瞬间电流的变化。

借助电流传感器可以通过电脑直接输出电流随时间变化的波形图。

（学生参与演示实验）

演示实验3：

Dislab实验——在某一电压下，电容器的充、放电。

学生直观体验电流随时间变化的波形图

引导学生分析电流变化和电压变化。

i—t图像是否可以判断电量的变化

引导学生分析i—t图像：

运用微元思想，借助计算机求出电容器所带电荷量。

学生分析：

可以用这个波形图所包围的面积代表电量Q，就象我们高一学习变速运动的时候，用v-t图象的面积代表位移一样。

点评：

通过实验探究，从多层次多角度的认识电容器，更能符合学生的认识规律。

通过学生自主观察电容器的充、放电过程中灵敏电容计指针的偏转情况，定性了解充、放电过程的特征；由于电容器的充、放电时间极短，学生只能观察电流计指针有无偏转，以及偏转角度的变化，但对于固定电容器储存的电量与电压之间是否存在定量关系，采用课本中的实验无法达到这一目的，根据这一实验就得出电量与电压的比值为定值不能令学生信服。

为了克服这一障碍，本节课进一步用电流传感器代替电流计，与学生共同实验，再次观察电容器的充、放电，这一方面可以进一步说明通过不同的实验器材，得到的实验现象是相同的，但实验的精度不一样，借助电流传感器可以较好地显示电容器充、放电的短暂过程，并通过电脑输出电流随时间变化的波形图，借助数学工具积分的方法通过电脑直接求出电量。

学生通过这一实验，直观形象的建立了充、放电暂态过程，也解决了指针偏转后是自由返回，还是充、放电有约束式返回。

尤其是可以通过电脑处理数据，运用图表功能直接快速描点，便于学生观察。

同时也借助电流传感器更进一步探究Q与U的关系，进而引入电容的概念。

（3）实验探究，理解和形成电容的概念

思考1：

电容器能够容纳电荷，那么，怎样来描述它所具有的这种本领的大小呢？

能否说，电容器带电量越多，容纳电荷的本领越强？

学生可能分析结果：

不能，因为通过刚才的实验发现，电容器的带电量是可变的，而它容纳电荷的本领应该是定的，我们应该寻找一个不变的量来表征它容纳电荷的本领。

Dislab演示实验：

同一电容器在不同电压下的充放电现象。

观察和记录：

从图象中获取不同的电压下，电量和对应的最大电压值，记录数据。

思考2：

观察所得的3组数据，你有何发现？

表2：

实验探究1：

用不同的电压充电容器充电，储存的电荷与电压的关系？

电源

储存的电荷量

最大电压值

结论

电容器1

电容器2

实验探究1：

1、怎么探究这两个量之间的关系？

2、有什么关系？

3、怎样描述电容器容纳电荷的本领大小？

（容纳电荷的本领应该是定的，我们应该寻找一个不变的量来表征它容纳电荷的本领）

点拔：

可以求出每组数据的比值，看是否相等，还可以用画图的方法，观察点的分布，看是否在一条直线上。

总结：

电荷量和电压的比值不变。

同一电容器，电势差越大，极板所带电荷量越多。

不同的电容器比值是不同的，这个比值可以用来描述电容器容纳电荷的本领大小。

点评：

通过传感器定量研究，可以通过电脑处理数据，运用图表功能直接快速描点，便于学生观察，并很容易得出定值电容的电压与电量的线性关系。

通过实验学生能够明白“电容”概念的内涵及其物理意义，同时进一步培养学生利用图像获取信息和处理问题的能力，为突破难点作了前期铺垫。

形成电容的概念：

引入电容的概念、单位、物理意义，类比水杯装水。

展示水杯加水，水杯的容量不因为水量的增加而变大。

1.定义：

电容器所带的电荷量Q与电容器两极板间电势差U的比值，叫做电容器的电容

2.物理意义：

表征电容器容纳电荷本领的大小

3.单位：

法（F）1F＝1C/V

微法（uF）皮法（pF）

1F＝106uF＝1012pF

4.C与Q、U无关。

——提供了一种测量方法

5、用类比法进一步理解电容的物理意义

应用2:

超级电容车——《剪了辫子11路还是电车上海试运行超级电容器电车》

2019年，上海首批7辆超级电容车在公交11路内圈投入试运行，运营中无需连接电缆，只需在候客上车间隙充电30秒到1分钟，就能行驶3到8公里。

超级电容车外观与普通无轨电车相似，只是头上不见了两根“辫子”。

电车底部装了一种超级电容，车辆进站后的上下客间隙，车顶充电设备随即自动升起，搭到充电站的电缆上，通过200安培的电流强度完成充电。

6、击穿电压和额定电压

思考：

如图所示，是某一规格的电容器，你能从中获得哪些信息？

总结：

1）、电容器的击穿电压

加在电容器两极板上的电压不能超过某一限度，超过这个限度，电介质将被击穿，电容器损坏，这个极限电压称为击穿电压。

2）、电容器的额定电压

电容器正常工作时的最大电压，额定电压低于击穿电压

点评：

利用