《了解电容器》说课稿省级获奖实验说课案例.docx
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《了解电容器》说课稿省级获奖实验说课案例
《了解电容器》说课稿
一、教材来源
本节选自粤教版《普通高中课程标准实验教科书选修3-1》，第一章《电场》，第七节《了解电容器》。
二、教材分析
本节内容是本章的重点和难点，在教材中占有非常重要的地位。
这是前面匀强电场的一个重要应用，也是后面学习带电粒子在电场中的运动、交流电路、电磁振荡等知识的基础，起到了承上启下的作用。
《了解电容器》的教学中，教材安排了两个实验：
一是观察电容的充放电；二是探究影响电容器电容大小的因素。
第一个实验比较容易成功，效果也还不错。
第二个实验由于采用静电计进行探究，受空气湿度、器材绝缘、教师个人实验操作技能等因素的影响，往往成功率不高。
加上学生对静电计的工作原理缺乏认识，无形中造成了认知障碍，实验本身难度较大，分析过程也困难，使得实验这种教学手段在本节课并没有充分发挥其作用。
我对这节课的知识点进行了重新梳理，通过对教材的分析，我把学生对电容器的认识过程分为四个阶段：
一是认识电容器，知道电容器是一种能储存电荷的元件并了解电容器构造；二是电容器的作用是通过的充放电过程实现的；三是电容器储存电荷的多少Q与充电电压U、电容器电容C的关系，即充分理解电容的定义式C=Q／U；四是平行板电容器的电容大小决定因素。
根据这四个阶段，我们对原有实验进行了改进，并重新为每个过程各设计了一个实验,充实教材，方便教学,这不但加强学生的感性认识、加深对本节的理解，并且可以培养学生的动手能力、思考能力。
三、学情分析
（一）学生知识层面
本实验所需要用到的电场知识、电路知识、比值定义法、定量研究方法这些学生在前面的章节已经学过。
所以在进行本实验时，学生在知识储备上足够，但是大部分学生未接触过电子元件，对电容器没有感观认识，因此讲解时不易马上接受。
（二）学生的能力层面
本节课的教学对象是高二年级的学生，该阶段的学生好奇、善问，创造意识强烈，并具备描点作图、图像分析能力、逻辑推理能力、实验探究能力以及小组合作能力，对物理实验和多媒体展示的各种物理现象具有浓厚的兴趣。
但是我们的学生动手能力相对较薄弱一些，而且本实验很多方面要注意细节，因此在实验仪器的制作上，需要老师指导。
四、实验教学目标
（一）物理观念:
从物理学视角形成的关于物质､运动与相互作用､能量等的基本认识,是物理概念和规律等在头脑中的提炼和升华，形成电容器的概念；
（二）科学思维:
基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑､批判,进而提出创造性见解的能力与品质；
（三）实验探究:
提出物理问题,形成猜想和假设,获取和处理信息,基于证据得出结论并做出解释,以及对实验探究过程和结果进行交流､评估､反思的能力；
（四）科学态度与责任:
在认识科学本质,理解科学·技术·社会·环境（STSE）的关系基础上逐渐形成的对科学和技术应有的正确态度以及责任感。
五、实验器材
（一）拆解电容器，知道电容器是一种能储存电荷的元件并了解电容器构造
自制平行板电容器教具，Victor890D数字多用表，大石英钟，电解电容器，带鳄鱼夹导线若干，纸质电容器若干，体积相同的两个瓶子，一个装满水，一个装满油
（二）用自制的电容器充放电演示仪演示电容器的充放电
自制示教板（2200μF电容器，红、蓝二极管各一，电池盒，4节干电池，两个小石英钟，导线若干，带香蕉头导线（用作单刀双掷开关），接线柱
（三）定量探究电容器电容与电压U、电荷量Q的关系
自制示教板（可调数字电源模块，950μF、2170μF、3100μF电容器各一，电池盒，4节干电池，石英钟，导线，带香蕉头导线（用作单刀双掷开关），接线柱）计算机Excel软件，坐标纸，直尺
（四）探究平行板电容器电容的决定因素
自制平行板电容器教具，Victor890D数字多用表，锡箔纸，干布，白纸，纸板
六、实验创新
（一）用自制的电容器充放电演示仪演示电容器的充放电教材中关于电容器充放电的讲解仅用了三小段文字和一个电路示意图，设计的小灯泡实验由于电容器充放电时间太短，小灯泡发光现象转瞬即逝，并且教材中没有指明电容器充放电的电流方向，导致学生对这一过程理解模糊。
为了让学生直观形象理解电容器的充放电过程，我设计了如图1所示实验，并自制了演示电路板，这一实验装置不仅可以利用石英钟放电延长充放电时间，直观演示充电与放电过程，还可以表明充电与放电过程中电流方向相反，使学生定性感知电容器的充放电现象。
图1电容器充放电电路
（二）定量探究电容器电容C与电压U、电荷量Q的关系
教材上由“实验表明：
电容器所带的电量Q与其两端的电压U成正比，比值Q/U是个常数。
它表征了电容器容纳电荷的本领，故定义C=Q／U”没有具体实验，学生怀疑其真实性，没有说服力。
为了验证C=Q／U表达式，我设计了如图2所示实验，并自制了演示电路板。
这是一个可以定量探究电容器储存电荷的多少Q与电压U、电容器容量C关系的实验装置，通过数控可调降压模块可以提供上提供0—5V的充电电压用于改变U的值，连接好电容器充放电电路，充电电路并联了三只实际容量分别为950μF、2170μF、3100μF电容器（电容器实际容量与标称值有误差，为了实验更精确，用数字万用表测量具体数值），每只串联一个开关（用带香蕉头的导线替代）用于改变接入电路中的电容器，放电电路串联石英钟，放电时用钟的秒针走的格数，表征电容器储存电荷量Q的多少，可以定量探究电容器电容C与电压U、电荷量Q的关系，最终推导出电容器C=Q／U这个定义式。
这一实验的设计，补充了教材上关于这部分内容实验的空白，能帮助学生探究问题的本质并加深对公式的理解，同时展现了严谨治学的科学素养。
图2电容特性演示仪
（三）探究平行板电容器电容的决定因素
在以往教学中，这一实验为演示实验，如图3所示。
静电计与平行板电容器相连，用静电计指针偏转角度显示两极板间的电压高低，进行定性探究。
本实验的不足之处是，对环境要求较高，指针偏转不够明显，且为定性实验。
为了解决以上不足，我将本实验将其改进为用数字多用表电容档辅助测量，学生用简单材料自制电容器，体验、测量、猜想，教师用自制教具（如图4所示）进行定量演示。
图3教材中的实验装置图4自制教具探究决定电容大小因素
七、实验内容及原理
（一）用自制的电容器充放电演示仪演示电容器的充放电实验
电路如图5所示，实验前取出石英钟上的电池，并按图所示连接好线路。
当开关S接1时，电容器开始充电，可以看到石英钟A开始走动计时，同时看到电路中导通的二极管发红光，电容器充电结束后，石英钟的秒针停下，二极管由亮逐渐变暗，灯光熄灭，此时电容器的上端带正电；当开关S接2时，电容器放电，石英钟B秒针开始走动，同时看到电路中与充电电路反接的二极管发蓝光，放电结束后，石英钟停走，二极管由亮逐渐变暗，慢慢熄灭。
由于石英钟耗电量很小，能让充放电过程变得慢一些，便于学生的观察，而反接的红蓝二极管让学生直观判断充放电的电流方向。
1
2
图5电容器充放电电路图
（二）定量探究电容器电容C与电压U、电荷量Q的关系
（1）探究同一电容器，电荷量Q与电压U的关系
电路如图6所示，
图6电容器特性演示仪电路图
实验前取出石英钟上的电池，并按图所示连接好线路，使用同一只电容器（2170μF），依次改变电容器两极板间电压，观察并记录石英钟指针走的格数，用石英钟指针走的格数表征电荷量Q的大小，得到Q与U数据如表一：
表1用不同电压给同一电容器充电
C1
U（V）
0.00
1.25
1.50
1.75
2.00
2.25
Q（格数）
0.00
6.20
7.60
9.10
10.60
12.20
学生利用实验数据在坐标纸上描点作图分析三者间定量关系，再利用计算机Excel软件拟合Q与U数据的图像
数据和图像表明电荷量Q与电压U的比值保持不变。
（2）探究不同电容器的Q与U比值关系
依次改变两个不同的电容器两极板间电压，观察并记录石英钟指针走的格数得到U与Q数据如表二：
表2用相同电压给不同电容器充电
U（V）
0.00
1.25
1.50
1.75
2.00
2.25
C1
Q1（格数）
0.00
6.20
7.60
9.10
10.60
12.20
C2
Q2（格数）
0.00
8.70
10.50
12.30
14.60
16.50
学生利用实验数据在坐标纸描点作图分析三者间定量关系，再利用计算机Excel软件拟合不同电容器Q与U数据的图像
实验表明，同一电容器所带电荷量Q与两极之间电压U比值为一定值，不同的电容器Q/U的比值一般不同，则Q/U的比值是与电荷量和电压无关的物理量，反映了电容器储存电荷的能力，从而可用比值定义法定义电容器的电容C，表达式为C=
。
（三）探究平行板电容器电容的决定因素
学生将家用的锡箔纸裁成面积不等的矩形，将白纸放在两片锡箔纸之间，用数字电容表测量这个简易电容器的电容。
若改变两片锡箔纸距离或改变正对面积，电容会变化。
将电介质换成干布和保鲜袋，电容有明显差异。
自制教具有厚1.5mm，面积为40cm×40cm的不锈钢板两块，在框架内做间距为9mm，18mm，27mm，36mm，45mm的凹槽，将其中一块板的面积S十等分，用数字万用表电容档测量正对面积相同、板间距不同时的电容，再测量板间距相同、正对面积为1S，0.9S，0.8S，0.7S，0.6S时的电容。
拟合C-
图像如图6所示，C-S图像如图7所示
表3自制平行板电容器电容与极板间距的数据表格
d（mm）
9
18
27
36
1/d（I/mm）
0.111
0.056
0.037
0.278
C（nF）
0.246
0.126
0.085
0.063
图6平行板电容C与1/d的关系图像
表4自制平行板电容器电容与极板间距的数据表格
S0
0.6S0
0.7S0
0.8S0
0.9S0
1S0
C（nF）
0.144
0.164
0.186
0.208
0.233
图7平行板电容C与正对面积S的关系图
八、实验教学过程
（一）环节一：
认识电容器，知道电容器是一种能储存电荷的元件并了解电容器构造
实验一：
用自制的平行板电容器分辨用不透明纸包起来水瓶和油瓶，再给电容器充电，给已取出电池的石英钟放电，发现没有电源的石英钟秒针走起来一定时间又停下来。
（图8）
图8
实验一达成目的：
课堂引入作用，创设情境，激发学生的认知冲突，引发悬念，提起学生兴趣，从而引入电容器新课。
指出电容器是一种能储存电荷的元件。
实验二：
让学生观察自制平行板电容器的组成，同时提供纸质电容器让学生拆解，（图9）
图9
实验二达成目的：
了解电容器构造，知道电容器由两个相互靠近、彼此绝缘的导体组成。
（二）环节二：
用自制的电容器充放电演示仪演示电容器的充放电实验
根据之前的实验和理论分析，学生已经认识了电容器的结构和作用，接下来用自制的电容器充放电演示仪电容器的充放电过程。
实验现象:
当开关S接1时，电容器开始充电，可以看到石英钟A开始走动计时，同时看到电路中导通的二极管发红光，电容器充电完成后，石英钟的秒针停下，二极管由亮逐渐变暗，灯光熄灭，此时电容器的上端带正电；当开关S接2时，电容器放电，石英钟B秒针开始走动计时，同时看到电路中与充电电路反接的二极管发蓝光，放电结束后，石英钟停走二极管由亮逐渐变暗，慢慢熄灭。
实验达成目的：
石英钟秒针走和停可见度大，把抽象的充放电过程放大并增强了演示实验的真实性和趣味性，让学生直观了解电容器充放电过程；同时反接的红蓝二极管发光明确表明电容器充放电过程电流方向相反。
（三）环节三：
建立电容器的电容的概念
实验一：
探究同一电容器电电荷量Q与U的关系
实验前取出石英钟上的电池，并按图所示连接好线路，使用同一只电容器（2170μF），依次用1.25-2.25V充电放电，观察并记录石英钟指针走的格数，用石英钟指针走的格数表征电荷量Q的大小，得到Q与U数据，启发学生利用实验数据描点作图分析三者间定量关系，再利用计算机Excel软件拟合Q与U数据得到的图像是一条过原点的倾斜直线。
实验一达成目的：
表明电荷量Q与电压U的比值是保持不变的，Q/U的比值是与电荷量和电压无关的物理量。
实验二：
探究不同电容器的Q与U比值关系
依次改变两个不同的电容器两极板间电压，观察并记录石英钟指针走的格数得到U与Q数据，学生利用实验数据描点作图分析三者间定量关系，再利用计算机Excel软件拟合Q与U数据的图像是两条过原点的倾斜直线。
实验二达成目的：
实验表明，不同电容器的Q与U比值一般不同，电容器两极之间电压U相同时，Q与U比值越大，所带电荷量Q越大，说明电容C反映了电容器储存电荷的能力，从而用比值定义法引申出电容器的电容C的定义，表达式为C=Q/U。
（四）环节四：
探究平行板电容器的电容的决定因素。
实验一：
给学生提供的数字多用表电容档（如图10所示），实验材料（如图11所示），自制简易电容器并测量电容，并尽量使电容更大，通过探究实验猜想平行板电容器电容的决定因素。
学生分组探究、体验，得出猜想。
可以用面积不同的锡箔纸夹相同的电介质，可以让将自制电容器两极板压的更紧密一些，或者将小电容器卷起来。
也可以锡箔纸面积不变，换不同的电介质。
图10数字多用表图11学生实验材料
实验一达成目的：
学生初步分析得到平行板电容器极板间距越小、极板正对面积S越大,平行板电容器的电容C越大，C还与极板间电介质种类有关的定性结论。
实验二：
用自制教具探究平行板电容器电容与极板间距和极板正对面积的定量关系（图12）。
记录电容器电容C与极板间距d数据、记录电容器电容C与极板正对面积S数据如表3、表4所示。
拟合C-1/d图像，C-S图像都是过原点的倾斜直线。
图12平行板电容器教具
实验二达成目的：
定量探究表明平行板电容器电容C与正对面积S成正比,与极板间距d成反比，极板间电介质的材料不同，电容也不同。
引入平行板电容器电容大小的决定式C=
，其中
表示介质的相对介电常数，与材料有关，S为两平行板的正对面积，d为两极板间距。
k为静电力常量。
九、实验效果评价
本实验从现象到本质，从定性到定量，从实例到方法，实验的改进和创新尊重学生的思维发展规律，教学设计也以学生的发展为根本目的。
（一）用自制的电容器充放电演示仪演示电容器的充放电，定量探究电容器电容C与电压U、电荷量Q的关系并建立电容器的电容的概念，利用比值定义法定义电容器的电容，引导学生形成科学的思维。
（二）探究平行板电容器电容的决定因素实验，由传统的静电计演示实验改进为学生的探究实验和自制教具定量探究，通过学生动手参与，有利于学生深入理解电容器的结构；同时，通过观察实验，提出猜想，以及利用控制变量法探究规律，培养了学生的科学探究能力。
（三）实验教学的设计体现学生核心素养的发展，为达成教学目标服务。
（四）实验现象明显可见度大，直观性强，增强实验的真实性和趣味性，能帮助学生深刻的理解物理概念和规律；实验材料低成本，易制作，易操作，适合经济欠发达地区，有较强的推广性和实用性。
（五）实验不足之处：
一节课实验内容稍多，教师可以做适当的内容选取。
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