最新人教版高中物理选修3-1第一章《电容器与电容》示范教案

8 电容器的电容

整体设计

教学分析

电容器是一种常见的电学元件，在电路中应用广泛，学生虽然可能见过电容器实物，但不一定认识，更没有深入考虑过其构造和工作原理。电容概念的建立方法和定义方式，学生以往学习中有过相似的经验，通过类比能够较容易接受。影响平行板电容器电容大小的因素是全新的内容，在应用时容易出现错误。利用演示实验可以帮助突破难点。在进行课程教学时我们需要注意以下几点说明：

1．考虑到用比喻可以帮助学生理解电容的概念，教材在讲述电容的概念时，借助水容器作比喻，说明电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量。有条件的学校可以利用传感器来帮学生理解电容器所带电荷量和电压之间的关系。

2．应该使学生明确地知道，电容器所带的电荷量Q是指每个极板所带电荷量的绝对值。

3．电场能的概念，只要求学生知道，不要求进一步说明。

4．应该使学生明确地知道：电容器充电后，如果保持电容器的两极板与电源两极相连接，则电容器两极板的电压保持不变；如果切断与电源的连接，则电容器的电荷量保持不变。

5．本节的“思考与讨论”，意在使学生把这节的知识与前面学过的知识联系起来，综合加以运用，提高学生综合运用知识的能力。最好在教师的引导下，让学生独立思考，把问题弄清楚。这比都由教师讲给学生，效果会更好。

教学目标

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，并学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。

教学重点难点

1．电容的概念是本节的重点和难点，关键让学生理解电容是用比值定义的物理量，电容这个物理量的物理意义。

2．影响平行板电容器电容大小的因素是本节的另一个重点，做好演示实验是突破该难点的好办法。

3．本节的一个次重点是利用前面所学的电学知识解释电容器的充放电问题。

导入新课

[事件1]

教学任务：引入新课

方案1

师生活动：

教师上课前自己制作一个电容器(在一个有把的大塑料杯内外壁分别贴上铝箔，内外铝箔彼此绝缘)。

上课前利用感应起电机给这个“特别的容器”充电(不要让学生看到充电过程)，上课时让一个学生触摸这个“特别的容器”的内壁或者外壁，学生会被电一下。让学生解释这一现象。

学生最容易想到的解释是“电容器带电了”。但学生很容易忽略的一个问题就是：电容器本身不带电，是因为学生自身摩擦起电带上了静电，学生带电后再去触摸金属也会出现被电的现象。在这里要倡导科学的严谨精神。

启发学生：如何知道是不是电容器带电了呢？

可行方案：

1．用一个原来不带电的验电器接触电容器的一个极板，看铝箔是否张开。

2．用一根导线一端和电容器的一个极板相连，导线的另一端与电容器的另一极板接触，会看到电火花。

引出新课：这个可以容纳电荷的特别的容器，我们把它称作电容器。

教师把自做的电容器展示给学生看，让学生总结一下电容器的结构和作用。

结构：任何两个彼此绝缘又相距很近的导体就构成电容器。顺次介绍：极板、电介质、平行板电容器。

作用：容纳电荷，储存电能。

让学生找出现在教室中有的电容器。

学生可能答案：演示用的自制电容器、两个人彼此绝缘、投影仪中有电容器、电脑中有电容器、两个日光灯的金属外罩彼此绝缘构成电容器、两根导线等等。

向学生介绍感应起电机的莱顿瓶实际也是电容器，拆开一个感应起电机的莱顿瓶，让学生清楚地看到塑料桶内外表面都有金属箔。

方案2：

师生活动：

教师打开相机闪光灯面向学生拍照，相机的的电子闪光灯发出强烈的闪光。

引出：闪光灯闪光要借助一种非常重要的电学元件“电容器”，这节课我们一起来学习电容器。

幻灯片展示相机闪光灯实物电路图(有条件的话可以在实物投影展示相机的电子闪光灯电路图)

闪光灯的基本工作原理是怎样的呢？

首先演示图甲所示的实验，过程同事件3

让学生说明相机闪光灯的基本工作原理。

[事件2]

教学任务：介绍与电容有关的物理学史

师生活动：

1．富兰克林研究闪电时，他把闪电搜集到一个瓶子中，这个瓶子实际上就是电容器，它是由玻璃瓶内外贴有锡箔制成的，它是由荷兰莱顿大学的一名教授发明的，所以最早叫莱顿瓶。

2．莱顿瓶

莱顿瓶是由德国物理学家克莱斯特；荷兰莱顿大学的物理学家穆欣布罗克，于1745年、1746年几乎同时发明的。有一次，克莱斯特用传导的方法给装有钉子的玻璃瓶充电。当他的一只手拿着玻璃瓶，另一只手接触铁钉时，他感到肩膀和手臂受到了一下猛击。穆欣布罗克在做电学实验时，看到好不容易使带电体带上的电很快在空气中消失，便想找出一种保存电的办法。有一次，他用丝线吊起一支枪管来接收从摩擦起电机玻璃球传来的电。他在枪管的一端吊一根黄铜线，铜线的下端放在一只盛有水的玻璃瓶中。穆欣布罗克让助手一只手拿着玻璃瓶，同时自己使劲转动起电机。助手不慎将另一只手碰到枪管上，感到一阵剧烈的电击，大喊起来。穆欣布罗克与助手互换位置，自己一手拿瓶，另一只手去碰枪管，也遭到电击。布莱斯特和穆欣布罗克的实验表明，把带电体放在玻璃瓶中可以将电保存起来。后来人们把这个蓄电的瓶子叫做莱顿瓶。但是当时克莱斯特并不清楚装有钉子的玻璃瓶为什么能够保存电荷；穆欣布罗克也不知道电荷是保存在瓶子上还是保存在瓶内的水中。莱顿瓶几经改进后，瓶内外表面都贴上金属箔，瓶上插上一根金属杆，杆上端装有一个金属球，下端用金

属链子与瓶内表面接触。莱顿瓶放电时产生的电火花可以点燃火药、氢气等。莱顿瓶的出现为进一步研究电现象提供了有力的手段。

其实，莱顿瓶就是一个同轴柱形电容器。按照克莱斯特和穆欣布罗克的实验，握瓶的手是圆柱形电容器的正极板，水和铁钉(或铜线)是负极板，电介质是玻璃。瓶中盛水并不能够改变其电容的大小，只是起到让瓶盖上插的金属杆与瓶内表面金属箔连接的作用。改进后的莱顿瓶内外表面都贴有金属箔，两金属箔分别构成两个极板，电介质是玻璃。

[事件3]

教学任务：电容器的充放电

师生活动：

1．实验演示：如图甲

甲

单刀双掷开关先接通1，再接通2，让学生注意观察实验现象。

相关问题：

(1)你看到了什么现象？请解释这一现象。

(2)上极板带什么电，下极板带什么电？

(3)电容器容纳的电荷为何不会很快消失？

(4)电键1接通后，电源会不会永不停止地给电容器充电？

(5)何时充电完毕？为什么两极板间电压等于电源电压后电容器停止充电？

(6)是否可以不断增加充电电压，使电容器两端的电压不断增加？

当电压超过某个限度时电介质被击穿，电容器损坏，这个极限电压称为击穿电压。电容器外壳上标的是工作电压或额定电压。

实验演示：感应起电机两个小球间隔一个较小的距离，随着电荷量的不断增大，空气被击穿放电。

2．实验演示：找一款闪光灯独立于机体的照相机，单纯利用闪光灯向学生演示闪光灯的充放电。(可配备简单的示意图如图乙)

乙

小结：

(1)两极板带有等量异种电荷(以后所说电容器所带的电荷量是指一个极板所带电荷量的绝对值)。

(2)两极板间存在电压。

[事件4]

教学任务：电容概念的形成

师生活动：

研究电容器电荷量和两极板间电压的关系

方案1：定性研究

利用图甲的电路，一个规格为(25 V,4 700 μF)的电解电容器，学生电源电压可变，改变

电容器的充电电压，让学生观察电容器放电时小灯泡的亮度情况。

结论：电容器的充电电压越大，所带的电荷量越多。

方案2：定量研究

1．相关问题：

(1)It曲线中电流和时间轴所围面积的物理意义是什么？

It曲线中电流和时间轴所围面积表示通过电流传感器的电荷量，这个面积可以通过软件测量出来，从而算出通过电流传感器的电荷量。

(2)电容器充电后两极板间的电压如何测量？在什么时候进行测量？

实验器材：两个规格分别为(25 V,4 700 μF)和(25 V,10 000 μF)的电解电容器，学生电源，DIS传感器和相应软件，小灯泡，导线若干，电键。

2．实验步骤：电路图如图丙所示

丙

(1)测同一电容器在不同的充电电压下所带的电荷量

接电键1让电容器充电，充电完毕电容器两端电压等于电源电压。此电压可以通过电压传感器测得。

接电键2让电容器放电测放电电流随时间变化关系图象，通过软件操作求出电容器所带电荷量填入表格(如图丁)

丁

(2)数据处理

建立电荷量和电压关系直角坐标系，通过软件生成趋势线(如图戊)。此处数据处理也可用excel进行处理。

戊

(3)换用不同的电容器重复实验

(4)分析论证

3．实验结论：

(1)对于同一电容器，电压增大，极板所带电荷量增多，但是电荷量和电压的比值不变。

(2)不同电容器Q/U比值不同，比值Q/U由电容器本身性质决定。

(3)对于不同的电容器在电压相同的情况下，Q/U比值大的电容器容纳的电荷多。

引入电容器电容的概念

方案3：类比讲解

将电容器与圆柱形水容器进行类比。电荷量Q类比水的体积V，电势差U类比水的深度H，对于同一电容器，U越大，Q越大：对于同一圆柱形水容器，H越大，V越大。

对于给定的圆柱形水容器，V与H的比值为常量，这个常量是由水容器本身的性质决定的。对于不同的圆柱形水容器，V/H比值越大的水容器，在H相同的情况下所容纳的水的体积V越大，即此水容器容纳水的本领大。对于同一给定的电容器Q与U的比值应该也是常量，这个常量也是由电容器本身的性质决定的。对于不同的电容器，Q/U比值越大的电容器，在U相同的情况下所容纳的电荷量Q越多，即此电容器容纳电荷的本领大。

定义：比值Q/U是由电容器本身性质决定的，可以反映电容器容纳电荷的本领，把这个比值定义为电容。

定义式：C＝Q/U

单位：法拉。

符号：F 1 F＝1 C/V 1 F＝106μF＝1012 pF

让学生从图戊中读出两个电容器的电容。利用实物投影展示两个电容器的实际标注。

[事件5]

教学任务：介绍平行板电容器

师生活动：

提出问题：平行板电容器的电容与哪些因素有关？

(一)实验探究

猜想：……

实验探究1：

器材：平行板电容器，静电计，电介质板

给平行板电容器充电后，用静电计来测量两极板间的电势差U。在保持电容器所带电荷量Q不变的情况下：

只改变两极板间的距离d，可以看到d越大，U越大。由C＝Q/U知C越小。

只改变两极板的正对面积S，可以看到，S越小，U越大，则C越小。

在极板间插入电介质(介电常数为ε)，可以看到，ε增大，U减小，则C增大。

说明：

可以用专门演示用的平行板电容器来演示。实验时应首先使两个极板靠近，并与静电计导杆相连再用感应起电盘使电容极板带上足够多的电荷，此时静电计的指针转动开的角度非常小。然后迅速将另一极板拉开，使两极板间的距离变大，可见静电计指针张角明显变大，说明两极间的电势差变大，由电容的定义公式可以推知电容器的电容变小。按同样的程序，可以演示平行板电容器电容与极板相对面积和电介质的关系。为防止两极板靠近时相碰导电，可以在一个极板上贴一层塑料薄膜。

为了减少可能漏电的因素，可以把一个极板直接装在静电计的导杆上，给该极板带上足够多的电荷，再用手拿住另一极板(手指与金属板接触)进行实验，如图所示。

实验探究2：

器材：数字电容表，平行板电容器，有机玻璃板或者课本

1．保持距离一定，改变正对面积，观察电容表读数的变化。

2．保持正对面积一定，改变板间距，观察电容表读数的变化。

3．保持距离和正对面积一定，在两板之间放入有机玻璃板或者课本，观察电容表读数的变化。

趣味实验：让两位同学分别手握电容表的两个表笔，彼此间距拉大或者其中一人蹲下观察电容表读数变化。

(二)理论研究

假设电容器带电后电荷量不变，而且一个正电荷发出一条电场线。

(1)电容器两极板面积S增大，则单位面积上的电荷变小，电场线要变疏，电场强度E 变小，两极板的电势差U＝Ed减小，由C＝Q/U可知，C将减小。可见C与两极板正对面积有关。

(2)若电容器两极板面积S不变，则单位面积上的电荷不变，电场线疏密不变，电场强度E不变，而两极板间的距离d增大，两极板间电势差U＝Ed增大，由C＝Q/U可知，C 将减小。可见C与两极板间的距离有关。

(3)电容器的电容与电介质的关系的理论研究因为涉及极化现象所以在高中物理中无须涉及。

[事件6]

教学任务：电容器分类及应用

师生活动：

1．利用实物投影展示各种电容器。特别需要介绍电解电容器及其符号和可变电容器及