科學(xué)探究電容器高一下學(xué)期物理魯科版（2019）必修第三冊(cè)

電勢(shì)能與電勢(shì)差章二第第5節(jié)科學(xué)探究：電容器情境導(dǎo)入據(jù)記載，1752年，富蘭克林曾利用萊頓瓶（圖2-22）進(jìn)行了著名的費(fèi)城實(shí)驗(yàn)，即用風(fēng)箏將“天電”引下來(lái)，收集到萊頓瓶中。為什么萊頓瓶能把電荷儲(chǔ)存起來(lái)？本節(jié)將學(xué)習(xí)儲(chǔ)存

電荷的常用電學(xué)元件——電容器.講授新課當(dāng)原來(lái)不帶電的電容器的兩極板連接電源時(shí)，電容器充電，兩極板會(huì)分別帶上等量異種電荷，如圖2-23（a）所示。一、觀察電容器的充、放電現(xiàn)象能儲(chǔ)存電荷的電學(xué)元件稱(chēng)為電容器（capacitor）。兩塊彼此絕緣的平行金屬板可組成最簡(jiǎn)單的電容器，即平行板電容器。講授新課電容器充電后，兩極板間存在電場(chǎng)，電荷因受靜電力的作用而儲(chǔ)存在極板上。當(dāng)充電后的電容器兩極板通過(guò)電流計(jì)接通時(shí)，電路中會(huì)形成瞬時(shí)電流而發(fā)生放電，使兩極板的電荷中和而不再帶電，如圖2-23（b）所示。下面我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究電容器的充電和放電。講授新課（1）通過(guò)觀察，了解電容器在充電和放電的過(guò)程中，兩極板間電壓和電路中電流的變化。

（2）判斷電容器在充電和放電的過(guò)程中，兩極板儲(chǔ)存電荷量的變化。實(shí)驗(yàn)器材實(shí)驗(yàn)?zāi)康碾娊怆娙萜?、直流電源、電流?jì)、電壓表、電阻、單刀雙擲開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線。講授新課實(shí)驗(yàn)電路如圖2-24所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)撥到位置“1”時(shí)，電源E

對(duì)電容器充電；當(dāng)開(kāi)關(guān)撥到位置“2”時(shí)，電容器放電。在充電和放電過(guò)程中，利用電流計(jì)觀察電路的電流大小和方向的變化，利用電壓表觀察電容器兩極板間電壓的變化，進(jìn)而判斷電容器兩極板儲(chǔ)存電荷量的變化。實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)講授新課按照實(shí)驗(yàn)電路圖連接電路，觀察電容器的充、放電過(guò)程中電流計(jì)和電壓表指針的偏轉(zhuǎn)情況。請(qǐng)寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)步驟，完成實(shí)驗(yàn)操作。實(shí)驗(yàn)步驟數(shù)據(jù)分析將測(cè)量的信息填入你設(shè)計(jì)的表格中，請(qǐng)分析觀察到的現(xiàn)象并得出結(jié)論。講授新課討論請(qǐng)寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)結(jié)論實(shí)驗(yàn)結(jié)論充電后，將開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，你會(huì)觀察到什么現(xiàn)象？素養(yǎng)提升能分析物理現(xiàn)象，有針對(duì)性地提出可探究的物理問(wèn)題；能根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c器材等設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，會(huì)觀察物理現(xiàn)象，獲得證據(jù)，有安全意識(shí)；能記錄并分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、形成與實(shí)驗(yàn)?zāi)康南嚓P(guān)的結(jié)論，并嘗試作出解釋?zhuān)荒茏珜?xiě)完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在報(bào)告中能呈現(xiàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)表格，以及分析過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)論，能根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行交流。注意提升實(shí)驗(yàn)觀察能力和科學(xué)推理能力。——科學(xué)探究迷你實(shí)驗(yàn)室用發(fā)光二極管觀察電容器的充電和放電二極管是一種半導(dǎo)體元件，具有單向?qū)щ娦裕肈表示，其電路符號(hào)為（該符號(hào)左端為正極，右端為負(fù)極）。發(fā)光二極管是二極管的一種。當(dāng)發(fā)光二極管接正向電壓（發(fā)光二極管的正、負(fù)極分別與電源正、負(fù)極相接）時(shí)，二極管導(dǎo)通并發(fā)光；接反向電壓時(shí)，二極管的電阻很大，不會(huì)發(fā)光。按圖2-25所示連接電路，將開(kāi)關(guān)分別撥到位置“1”和“2”時(shí)，哪個(gè)二極管會(huì)發(fā)光？迷你實(shí)驗(yàn)室請(qǐng)解釋觀察到的現(xiàn)象。講授新課二、電容器的電容

講授新課式中，Q是指電容器的一個(gè)極板上電荷量的絕對(duì)值。電容是表示電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量，表現(xiàn)了電容器儲(chǔ)存電荷的特性。在國(guó)際單位制中，電容的單位是法拉，簡(jiǎn)稱(chēng)法，符號(hào)為F。1F=1C/V除了法拉，電容的單位還有微法（μF）、皮法（pF）等。拓展一步靜電計(jì)（圖2-26）本身是一個(gè)電容器，它的指針?biāo)鶐щ姾闪扛羔樑c外殼間的電勢(shì)差成正比，指針?biāo)鶐щ姾闪吭蕉?，張角就越大，表明指針與外殼間的電勢(shì)差越大。將靜電計(jì)的金屬球和外殼分別與平行板電容器的兩極板連接，當(dāng)電荷停止運(yùn)動(dòng)后，靜電計(jì)的金屬球與外殼間的電勢(shì)差和平行板電容器兩極板間的電勢(shì)差相等。從靜電計(jì)指針偏轉(zhuǎn)角度的大小可推知電容器兩極板間電勢(shì)差的大小。實(shí)驗(yàn)與探究平行板電容器的電容如圖2-27所示，對(duì)于已經(jīng)充電的平行板電容器，保持極板的正對(duì)面積S

和極板上的電荷量Q不變，改變兩極板的間距d，通過(guò)靜電計(jì)觀察兩極板間的電勢(shì)差U的變化，由此可知電容C

與d

的變化關(guān)系。與之類(lèi)似，保持、d

不變，只改變S，觀察電勢(shì)差U

的變化，由此可知電容C

與面積S

的變化關(guān)系。

通過(guò)此實(shí)驗(yàn)，你知道平行板電容器的電容C

與間距d、面積S

的大致關(guān)系了嗎？總結(jié)歸納大量研究表明，平行板電容器的電容C

與正對(duì)面積S

成正比，與極板間的距離d

成反比。當(dāng)平行板電容器的兩極板間是真空時(shí)，在國(guó)際單位制中，有總結(jié)歸納

總結(jié)歸納幾種常見(jiàn)電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)從表中數(shù)據(jù)可知，空氣的相對(duì)介電常數(shù)近似為1，所以通?？珊雎钥諝鈱?duì)電容的影響，將空氣中的情況等同于真空情況來(lái)處理。典例精析如圖2-28所示，一平行電容板的兩端與電壓為U的恒壓電源相連。極板上帶電荷量為Q。若只將兩極板間的距離增大為原來(lái)的2倍，求電容器極板上的電荷量.電容器所帶電荷量Q

=CU。由題意可知，電壓U不變，只需確定變化后的電容C即可。要確定電容C的變化，可利用平行板電容器的公式進(jìn)行分析。典例精析如圖2-28所示，一平行電容板的兩端與電壓為U的恒壓電源相連。極板上帶電荷量為Q。若只將兩極板間的距離增大為原來(lái)的2倍，求電容器極板上的電荷量.電容器所帶電荷量Q

=CU。由題意可知，電壓U不變，只需確定變化后的電容C即可。要確定電容C的變化，可利用平行板電容器的公式進(jìn)行分析。分析典例精析解典例精析討論由結(jié)果得知，即使加在電容器兩端的電壓不變，但若電容器的電容變化，電容器帶的電荷量也會(huì)隨之變化。在這個(gè)過(guò)程中，電容器中的電場(chǎng)強(qiáng)度如何變化？策略提煉分析電容器相關(guān)物理量的變化時(shí)，要注意抓住不變量。電容器充電后保持與電源相連，即使電容器的電容變化，兩極板間的電壓仍不變。若充電后與電源斷開(kāi)且未放電，即使電容器的電容變化，極板的電荷量也不會(huì)變化。遷移

講授新課三、常見(jiàn)電容器及其應(yīng)用很多機(jī)械、儀表、探測(cè)工具離開(kāi)了電容器就不能工作。電容器的種類(lèi)有很多，圖2-29是一些常見(jiàn)的電容器。講授新課電容器的兩極板被電介質(zhì)隔開(kāi)。若按導(dǎo)體極板間所用電介質(zhì)的種類(lèi)來(lái)分，可分為空氣電容器、云母電容器、紙質(zhì)電容器、陶瓷電容器、滌綸電容器、電解電容器等；若按電容器的電容是否可變來(lái)分，則可分為固定電容器、可變電容器等（圖2-30）.講授新課電容器的外殼上標(biāo)有電容、電壓等參數(shù)，如“47μF25V”。

標(biāo)稱(chēng)電壓也稱(chēng)額定電壓，在不高于此電壓下工作是安全的。如果

超過(guò)這個(gè)電壓，電容器的電介質(zhì)有被擊穿的危險(xiǎn)，其耐壓的極限

值稱(chēng)為擊穿電壓，擊穿后電容器的兩極板因?qū)ǘ鴵p壞。講授新課在生產(chǎn)生活中，電容器的應(yīng)用十分廣泛。例如，利用電容器可監(jiān)測(cè)水位的變化。圖2-31中，電容器的兩塊平行金屬板表面已進(jìn)行絕緣處理，當(dāng)水位升高時(shí)平行板電容器的電容增大，當(dāng)水位降低時(shí)電容減小，根據(jù)電容的變化即可測(cè)出水位的變化。小節(jié)練習(xí)

小節(jié)練習(xí)3.如圖所示，已充電的平行板電容器的極板B

與一靈敏的靜電計(jì)相接，極板A

接地。若極板A

稍向上移動(dòng)，觀察到靜電計(jì)的指針張角將變大，請(qǐng)解釋其原因。小節(jié)練習(xí)

小節(jié)練習(xí)5.一個(gè)電容為22μF的電容器充電至電壓為9V后，斷開(kāi)電源。由于漏電，一段時(shí)間后兩極板間的電壓變?yōu)?V，極板上的電荷量減少了多少？小節(jié)練習(xí)6.如圖所示，指紋傳感器在一塊半導(dǎo)體基板上有大量相同的小極板，外表面絕緣。當(dāng)手指的指紋一面與絕緣表面接觸時(shí)，由于指紋凸凹不平，凸點(diǎn)處與凹點(diǎn)處分別與半導(dǎo)體基板上的小極板形成一個(gè)個(gè)正對(duì)面積相同的電容器，若每個(gè)電容器的電壓保持不變，則

小節(jié)練習(xí)A.指紋的凸點(diǎn)處與小極板距離近，電容小

B.指紋的凸點(diǎn)處與小極板距離近，電容大

C.手指擠壓絕緣表面，電容電極間的距離減小，小極板帶電量增大

D.手指擠壓絕緣表面，電容電極間的距離減小，小極板帶電量減小小節(jié)練習(xí)7.水平放置的平行板電容器與一電源相連。在電容器的兩極板間有一帶正電的質(zhì)