人教版高中物理必修3第10章第4节 电容器的电容教学设计.docx
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人教版高中物理必修3第10章第4节电容器的电容教学设计
教版高中物理必修3电容器的电容教学设计
课题
电容器的电容
单元
10
学科
物理
年级
高二
教材
分析
本节课所采用的教材是人教版高中物理必修3第10章第4节的内容,电容器是一种重要的电学元件,有着广泛的应用.学生前面已经学习了研究电容器需要涉及的电势差、电场强度、电荷量等物理量.所以,本节教学的核心是应用静电场的有关知识研究电容器.如何培养学生应用所学知识解决新问题的能力,在这一节的教学中都应该有所体现
电容的概念是本节的重点,也是难点.电容又是一个用比值定义的物理量,引出这一比值的关键,是要让学生知道电容器所带的电荷量与两极板间的电势差成正比,其比值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,做好教科书中的演示实验是突破该难点的好办法。
电容器在各种电子仪器中都有广泛的应用,但是学生对电容器并不熟悉,因此引入新课应从学生熟悉的情景入手,让学生首先直观、感性地了解电容器.本节学生又见到了中学阶段常用的比值法定义物理量,以及用科学的实验探究式的方法研究电容与哪些因素有关,并且实验用到了控制变量法.这些都有利于培养学生的科学品质,以及认真观察、勤于思考、团结协作的科学精神,让学生在实践中锻炼思维能力,所以不管是演示实验还是模拟实验都要认真组织好.
教学目标与核心素养
一、教学目标
(1)知道什么是电容器,观察认识常见电容器的构造.
(2)理解电容概念及其定义方法,掌握电容的定义公式、单位,并会用来进行有关的计算.
(3)了解平行板电容器的电容公式,知道改变平行板电容器的电容大小的方法.
二、核心素养
物理观念:
用类比的方法帮助学生认识电容器并构建电容概念。
科学思维:
通过本节教学,培养学生的科学研究能力、实验观察能力和抽象思维能力
科学探究:
通过实验感知电容器的充、放电现象,理解电容器的工作原理.通过影响平行板电容器电容因素的实验探究过程,体会其中蕴涵的物理方法——控制变量法,并能够对问题进行定性、定量分析等.
科学态度与责任:
电容器两极板带等量异种电荷,体现物理学中的对称美;渗透了事物的本质由自身的因素决定,即内因决定,不由外因决定的观点。
重点
电容的概念及决定电容大小的因素。
难点
电容的概念,电容器的电量与电压的关系,电容器的充放电过程。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
我们知道,水可以用容器储存起来,以备不时之需。
那么电荷能否也像水一样储存起来呢?
出示图片:
水瓶、莱顿瓶、电容器
并说明莱顿瓶是一种最早用来贮存电荷的电容器。
电容器在我们当今生活中随处可见,如吸尘器、电脑、电视机、收音机等几乎所有用电器中都有电容器。
出示图片:
吸尘器的线路板
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?
今天我们就来学习电容器的电容。
观看图片用类比的方法理解电容器,并观察吸尘器的线路板。
引起学生的好奇心,为学习电容器的电容做好铺垫
讲授新课
一、电容器
1.平行板电容器
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。
出示图片:
平行板电容器
这两个金属板叫作电容器的极板。
注意:
空气也是一种电介质
2.电容器
(1)任何两个彼此绝缘且又相隔很近的导体就构成了一个电容器。
(2)构造:
两个互相靠近彼此绝缘的导体
(3)作用:
存储电荷(存储电能)
出示图片:
平行板电容器
实验:
观察电容器的充、放电现象
1.实验器材:
把直流电源、电阻、电容器、电流表、电压表以及单刀双掷开关
2.实验电路
电容器的充、放电
实验步骤
1.把开关S接1,此时电源给电容器充电,观察实验现象。
出示:
电源给电容器充电动画视频
(1)现象:
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。
另外,在充电过程中,还可以看到电压表示数迅速增大,随后逐渐稳定在某一数值,表示电容器两极板具有一定的电势差。
出示电容器的充电完成的电路图
(2)充电:
使原本不带电的两板带上等量异种电荷的过程
两板分别带等量异种电荷,每个极板带电量的绝对值叫电容器的带电量。
出示图片:
平行板电容器
注意:
即使断开电源,两极板上的电荷由于相互吸引而仍然被保存在电容器中。
2.把开关S接2,电容器对电阻R放电。
出示电容器放电动画视频
(1)现象:
观察电流表可以知道,放电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。
出示电容器的放电完成的电路图
(2)放电:
用导线将充电后的电容器两极接通,两极失去电荷的过程,叫电容器的放电。
出示电容器用导线将充电后的电容器两极接通的图片
解释:
电容器两极正负电荷通过导线中和。
电容器的充、放电现象视频
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。
拓展学习用传感器观察电容器的放电过程
1.实验电路和器材如图
实验步骤
(1)照图连接电路。
电源用直流8V左右,电容器可选几十微法的电解电容器。
(2)先使开关S与1端相连,电源向电容器充电,这个过程可在短时间内完成。
(3)然后把开关S掷向2端,电容器通过电阻R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图像
思考1.在图中画一个竖立的狭长矩形,它的面积的物理意义是什么?
一个电容器放电的I-t图像
根据图象的含义,因Q=It,所以竖直狭长矩形的面积表示为:
在0.1s内电容器的放电量。
2.怎样根据I-t图像估算电容器在全部放电过程中释放的电荷量?
试着算一算。
参考答案:
根据横轴与纵轴的数据可知,一个格子的电量为0.08×10-3C,由大于半格算一个,小于半格舍去,因此图象所包含的格子个数为42,所以释放的电荷量是:
Q=0.08×10-3C×42=3.4×10-3C;
出示用传感器观察电容器的充电、放电过程视频
二、电容
电容器充电的实验中,当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。
出示电容器的放电完成的电路图
那么,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?
实验:
探究电容器两极板间电势差跟所带电荷量的关系
实验器材:
电容器A、电容器B、开关、导线、电源(几节干电池)、数字电压表等。
实验步骤
(1)按照如图所示电路图连接电路。
(2)把开关S1接1,用几节干电池串联后给A充电,可以看到A充电后两极板具有一定的电压。
(3)把开关S1接2,使另一个相同的但不带电的电容器B跟A并联。
观察电压表的示数。
现象:
电压表示数变为原来的一半。
(4)断开开关S1,闭合开关S2,让B的两极板完全放电,随后再断开开关S2,把B和A并联,观察电压表的示数。
现象:
电压表示数再次减少一半。
(5)重复步骤4,观察电压表示数。
实验结论
电容器的电荷量变为原来的一半时,其两极板间的电势差也变为原来的一半。
精确的实验表明,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。
1.电容定义:
电容器所带的电荷量跟它的两极板间的电势差的比值,叫做这个电容器的电容,用C表示。
2.定义式:
Q指每一个极板带电量绝对值,U表示电容器两板的电势差—电压
电容器电容定义式也可以写成:
数值上等于使两极板间的电势差增加1V时,所需要的电荷量。
3、单位:
法拉(F);微法(uF);皮法(pF)
关系:
1F=106uF=1012pF
4、物理意义:
电容是反映电容器储存电荷的本领的物理量。
5.电容器的电容由本身结构决定。
与所带的电荷Q和所加的电压U无关。
说明:
即使电容器不带电,其电容仍然存在,并且是个确定值。
6.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,电荷量越多,表示电容器的电容越大。
这类似于用不同的容器装水。
如图,要使容器中的水深都为1cm,横截面积大的容器需要的水多。
7.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。
这个极限电压叫作击穿电压。
8.额定电压
电容器外壳上标的是工作电压,或称额定电压,这个数值比击穿电压低。
拓展学习平行板电容器的电容
平行板电容器是最简单的,也是最基本的电容器。
几乎所有电容器都是平行板电容器的变形。
平行板电容器的电容是由哪些因素决定的呢?
1.实验器材
静电计、平行板电容器、电介质(例如有机玻璃板)
2.实验步骤
(1)保持极板上的电荷量Q不变,两极板间的距离d也不变,改变两极板的正对面积S,观察静电计指针的变化得到两极板之间电势差的变化。
根据电容的定义式
,得到正对面积S对电容C的影响。
如图减小两极板的正对面积S,静电计指示的电势差增大,C减小。
(2)保持极板上的电荷量Q不变,两极板的正对面积S也不变,改变两极板间的距离d,通过静电计指针的变化可得到两极板之间的距离d对电容C的影响。
如图增大两极板间的距离d,静电计指示的电势差增大,由
知C减小。
(4)保持Q、S、d都不变,在两极板间插入电介质,例如有机玻璃板。
通过静电计指针的变化可得到两极板之间电介质的存在对电容C的影响。
如图在两极板间插入电介质,静电计指示的电势差减小,由
知C增大。
出示:
影响平行板电容器的因素视频
3.理论和实验表明
平行板电容器的电容C跟相对介电常数εr成正比,跟正对面积S成正比,跟极板间的距离d成反比,即:
εr是一个常数,与电介质的性质有关,叫作电介质的相对介电常数。
三、常用电容器
1.常用的电容器,从构造上看,可以分为固定电容器和可变电容器两类。
2. 固定电容器通常以电解质的种类命名,以聚苯乙烯薄膜为电介质,把两层铝箔隔开,卷起来,这种电容器叫聚苯乙烯电容器。
电解质为云母的叫做云母电容器。
出示图片:
聚苯乙烯电容器
还有一种固定电容器叫电解电容器,是用铝箔作为一个极板,用铝箔上很薄的一层氧化膜为电介质,用浸过电解液的纸作为另一个极板制成的,这种电容器有正负之分。
由于氧化膜很薄,所以电容较大。
出示图片:
电解电容器
3.可变电容器:
由两组铝片组成,它的电容是可以改变的。
固定的一组铝片叫作定片,可以转动的一组铝片叫作动片。
转动动片,使两组铝片的正对面积发生变化,电容就随着改变。
出示图片:
可变电容器
4.超级电容器
超级电容器是20世纪70年代根据电化学原理研发的一种新型电容器,超级电容器的充电时间短,储存电能多,放电功率大,使用寿命长。
这些优点展现了它作为新型动力电源的广阔发展前景。
课堂练习
1.电容是表征______________的物理量.如果某电容器的电量每增加10-6C,两极板之间电势差增加1V,则该电容器电容为____,影响电容器电容大小的因素为____、____和____。
答案:
电容器容纳电荷本领;10-6F;两极板间距离,两极板正对面积;电介质
2.如图为电容C与电压U,的电源连成的电路.当电键K与1接通,电容器A极板带____电,B板带____电,这一过程称为电容器___________,电路稳定后,两极板间电势差为____。
当K与2接通,流过导体acb的电流方向为____________,称为电容器______。
答案:
负;正;充电过程;U;b→c→a;放电
3.下列关于常用电容器,说法正确的是()
A.电解电容器的极性固定,作用时极性不能错
B.可变电容器是通过改变铝片正对面积来改变电容
C.电容器的额定电压就是击穿电压
D.额定电压是长期工作所承受电压,比击穿电压小
答案:
ABC
4.据国外某媒体报道,科学家发明了一种新型超级电容器,能让手机几分钟内充满电。
某同学假日登山途中用该种电容器给手机电池充电,下列说法正确的是( )
A.该电容器给手机电池充电时,电容器的电容变大
B.该电容器给手机电池充电时,电容器所带的电荷量可能不变
C.该电容器给手机电池充电时,电容器存储的电能变少
D.充电结束后,电容器不带电,电容器的电容为零
答案:
C
拓展提高
1.如图所示,描述对给定的电容器充电时,电量Q、电压U,电容C之间的相互关系图象,其中错误的是()
答案:
A
2.有一个已充电的电容器,两极板之间的电压是6V,所带电荷量是4.5×10-4C.将电容器的电压降为4V,电容器所带电荷量是( )
A.1.5×10-4C
B.3.0×10-4C
C.3.5×10-4C
D.4.0×10-4C
答案:
B
3.一充电后的平行板电容器保持两极板的正对面积、间距和电荷量不变,在两极板间插入一电介质,其电容C和两极板间的电势差U的变化情况是( )
A.C和U均增大
B.C和U均减小
C.C减小,U增大
D.C增大,U减小
答案:
D
观察平行板电容器
学生观看动画了解实验器材、实验电路、实验步骤并动手操作,观察实验现象
学生观看动画
学生阅读拓展学习了解实验
学生观察一个电容器放电的I-t图像并回答问题
学生动手操作并观察电压表的示数
阅读课文了解电容器电容的基础知识并记忆
阅读课文了解
击穿电压和额定电压
学生阅读实验步骤观察静电计指针的变化
说出实验现象
学生观看影响平行板电容器的因素视频并总结实验结论
学生阅读课文
学生练习
了解平行板电容器的构造
锻炼学生的实验动手操作能力和总结能力
了解放电现象
了解用传感器观察电容器的放电过程
让学生进一步理解用传感器观察电容器的放电过程,锻炼学生处理实际问题的能力
帮助学生理解电容器的电容的影响因素
锻炼学生的自主学习能力
知道击穿电压大于额定电压
锻炼学生的观察总结能力
锻炼学生的总结能力和语言表达能力
了解常用电容器
巩固本节的知识
课堂小结
1.任何两个彼此绝缘且又相隔很近的导体就构成了一个电容器
2.电容器的充、放电现象
(1)充电:
使原本不带电的两板带上等量异种电荷的过程叫电容器的充电
(2)放电:
用导线将充电后的电容器两极接通,两极失去电荷的过程,叫电容器的放电。
3
(1)电容器所带的电荷量跟它的两极板间的电势差的比值,叫做这个电容器的电容,用C表示。
(2)定义式:
3.平行板电容器的电容
梳理自己本节所学知识进行交流
根据学生表述,查漏补缺,并有针对性地进行讲解补充。
板书
一、电容器
1.任何两个彼此绝缘且又相隔很近的导体就构成了一个电容器
2.电容器的充、放电现象
(1)充电:
使原本不带电的两板带上等量异种电荷的过程叫电容器的充电
(2)放电:
用导线将充电后的电容器两极接通,两极失去电荷的过程,叫电容器的放电。
二、电容
1.电容器所带的电荷量跟它的两极板间的电势差的比值,叫做这个电容器的电容,用C表示。
2.定义式:
3.平行板电容器的电容
三、常用电容器