2024-2025學(xué)年高中物理第1章靜電場6電容器和電容7靜電的應(yīng)用及危害學(xué)案教科版選修3-1

PAGE11-電容器和電容靜電的應(yīng)用及危害[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.[物理觀念]知道什么是電容器以及常見的電容器．知道電容器充電和放電的含義．2.[科學(xué)思維]理解電容的概念及其定義式C＝eq\f(Q,U)，并能進(jìn)行有關(guān)運(yùn)算．3.[科學(xué)探究]知道平行板電容器的電容與哪些因素有關(guān)，了解公式C＝eq\f(εrS,4πkd)并能用其探討分析有關(guān)問題．4.[科學(xué)看法與責(zé)任]了解靜電現(xiàn)象，知道靜電的應(yīng)用和危害．一、電容器電容器的電容1．電容器：儲存電荷和電能的元件．任何兩個(gè)彼此絕緣又相互靠近的導(dǎo)體都可以看成一個(gè)電容器．2．電容器的充放電(1)充電：把電容器的兩極板分別與電池組的兩極相連，兩個(gè)極板分別帶上等量的異種電荷的過程，充電過程中，由電源獲得的電能儲存在電容器中．(2)放電：用導(dǎo)線把充電后的電容器的兩極板接通，兩極板上的電荷中和的過程，放電過程中，電場能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量．3．電容(1)定義：描述電容器儲存電荷實(shí)力的物理量．(2)公式：C＝eq\f(Q,U)，其中Q指一個(gè)極板上帶電荷量的肯定值.(3)單位：法拉，符號是F,1F＝1C/V,1F＝106μF＝1012pF.二、平行板電容器的電容常用電容器1．平行板電容器(1)構(gòu)成：由兩個(gè)彼此絕緣又相互靠近的平行金屬板組成．(2)電容的確定因素電容與兩板正對面積S成正比，與電介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr成正比，與極板間距離d成反比．(3)表達(dá)式：C＝eq\f(εrS,4πkd)，εr為相對介電常數(shù)，真空時(shí)εr＝1.其他電介質(zhì)時(shí)εr＞1.提示：C＝eq\f(Q,U)適用于全部電容器；C＝eq\f(εrS,4πkd)僅適用于平行板電容器．2．常用電容器(1)分類：從構(gòu)造上看，可以分為固定電容器和可變電容器兩類．(2)電容器的額定電壓和擊穿電壓①額定電壓：電容器能夠正常工作時(shí)的電壓．②擊穿電壓：電介質(zhì)被擊穿時(shí)加在電容器兩極板上的極限電壓，若電壓超過這一限度，則電容器就會(huì)損壞．三、靜電的應(yīng)用及危害1．靜電的應(yīng)用(1)靜電噴涂的工作原理：設(shè)法使精細(xì)的油漆液滴飛離噴嘴時(shí)帶上同種電荷，彼此排斥，并在電場力的作用下飛向作為電極的工件.(2)激光打印機(jī)的工作原理：利用正、負(fù)電荷相互吸引．2．靜電的危害(1)雷雨云的雷鳴閃電給人類造成巨大損失．(2)靜電火花點(diǎn)燃易燃物質(zhì)引起爆炸和火災(zāi)．(3)靜電放電引起電子設(shè)備的故障，造成電磁干擾．(4)靜電放電擊穿集成電路和精密的電子元件，或促使元件老化，降低生產(chǎn)成品率．(5)靜電在工業(yè)中如電子工業(yè)、膠片和塑料工業(yè)、造紙印刷工業(yè)、紡織工業(yè)中都會(huì)產(chǎn)生危害．3．靜電危害的防止(1)盡快導(dǎo)走多余電荷，避開靜電積累．(2)調(diào)整空氣的濕度．(3)在易燃、易爆氣體和粉塵聚集的場所保持良好的通風(fēng)．1．正誤推斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)放電后的電容器電荷量為零，電容也為零． (×)(2)電容器所帶的電荷量是指每個(gè)極板所帶電荷量的代數(shù)和． (×)(3)電容器的電容與電容器所帶電荷量成反比． (×)(4)任何兩個(gè)彼此絕緣而又相互靠近的導(dǎo)體都能組成電容器，而且跟這兩個(gè)導(dǎo)體是否帶電無關(guān)． (√)(5)在印染廠中保持適當(dāng)?shù)臐穸?，是為了防止靜電的危害． (√)(6)避雷針能避開建筑物被雷擊是因?yàn)樵茖又袔У碾姾杀槐芾揍樛ㄟ^導(dǎo)線導(dǎo)入大地． (×)2．某電容器上標(biāo)有“25μF450V”字樣，下列對該電容器的說法中正確的是()A．要使該電容器兩極板之間電壓增加1V，所需電荷量為2.5×10－5B．要使該電容器帶電荷量為1C，兩極板之間需加電壓2.5×10－5VC．該電容器能夠容納的電荷量最多為2.5×10－5D．該電容器能夠承受的最大電壓為450VA[由電容器的定義式C＝eq\f(Q,U)可得C＝eq\f(ΔQ,ΔU)，所以ΔQ＝C·ΔU＝2.5×10－5×1C＝2.5×10－5C，A正確．若Q＝1C，則U＝eq\f(Q,C)＝4×104V，B錯(cuò)誤．當(dāng)電容器兩極板間的電壓為450V時(shí)，電容器容納的電荷量最多，Q′＝CU′＝2.5×10－5×450C＝1.125×10－2C，C錯(cuò)誤.450V是電容器的額定電壓，低于擊穿電壓，D錯(cuò)誤．]3．對于靜電噴漆的說法，下列正確的是()A．當(dāng)油漆從噴槍噴出時(shí)，油漆粒子帶正電，物體也帶正電，相互排斥而擴(kuò)散開來B．當(dāng)油漆從噴槍噴出時(shí)，油漆粒子帶負(fù)電，物體不帶電，相互吸引而被物體吸附C．從噴槍噴出的油漆粒子帶正電，相互排斥而擴(kuò)散開來，被吸附在帶負(fù)電的物體上D．因?yàn)橛推崃Ｗ酉嗷ヅ懦舛鴶U(kuò)散開來，所以靜電噴漆雖噴漆勻稱但奢侈油漆C[噴槍噴出的油漆粒子帶正電，因相互排斥而散開，形成霧狀，被噴涂的物體帶負(fù)電，對霧狀油漆產(chǎn)生引力，把油漆吸到表面，從而削減了奢侈，所以只有C正確．]電容器電容的理解及應(yīng)用1.對電容的定義式C＝eq\f(Q,U)的理解(1)電容由電容器本身的構(gòu)造確定電容器的電容是反映電容器容納電荷本事的物理量，用比值C＝eq\f(Q,U)來定義，但它卻與Q、U無關(guān)，是由電容器自身的構(gòu)造確定的．即使電容器不帶電，其電容仍舊存在，并且是一確定的值．(2)通過Q-U圖像來理解C＝eq\f(Q,U)，在Q-U圖像中，如圖所示，電容是一條過原點(diǎn)的直線的斜率，其中Q為一個(gè)極板上所帶電荷量的肯定值，U為兩極板間的電勢差，可以看出，電容器電容也可以表示為C＝eq\f(ΔQ,ΔU)，即電容器的電容的大小在數(shù)值上等于兩極板間的電壓增加(或減小)1V所需增加(或減小)的電荷量．(3)通過C-Q圖像或C-U圖像理解由圖像看出：C與Q、U均無關(guān)．2．平行板電容器的確定式(1)試驗(yàn)探究：如圖甲、乙、丙所示．甲乙丙(2)試驗(yàn)結(jié)論①平行板電容器的兩板之間的正對面積S越大，電容C越大．②板間距離d越大，電容C則越?。蹆蓸O板間插入電介質(zhì)時(shí)比不插入電介質(zhì)時(shí)電容大．(3)平行板電容器電容的確定式特殊提示：靜電計(jì)是用來測量電勢差的．運(yùn)用時(shí)把它的金屬球跟一個(gè)極板相連，另一個(gè)極板與靜電計(jì)的外殼相連(或同時(shí)接地)，依據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)角度大小就可以推知兩個(gè)極板間的電勢差大?。纠?】有一充電的電容器，兩板間的電壓為3V，所帶電荷量為4.5×10－4C思路點(diǎn)撥：①電容器電容的定義式C＝eq\f(Q,U)中的Q為電容器的帶電荷量，是每一個(gè)極板上帶電荷量的肯定值．②電容器的電容是由電容器本身確定的，與電壓凹凸、帶電荷量多少無關(guān)．解析：由C＝eq\f(Q,U)可得C＝eq\f(Q,U)＝eq\f(4.5×10－4,3)F＝1.5×10－4F.電容器電壓降為2V時(shí)，電容不變，仍為1.5×10－4F此時(shí)電荷量為Q′＝CU′＝1.5×10－4×2C＝3×10－4C答案：1.5×10－4F1.5×10－4F3×101電容的定義式C＝eq\f(Q,U)中的Q為電容器的帶電荷量，是其中一個(gè)極板上帶電荷量的肯定值，不是兩個(gè)極板上的電荷量總和或肯定值之和.2定義式的推廣即C＝eq\f(ΔQ,ΔU)，ΔQ表示電荷量的改變，ΔU表示電壓的改變.eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])訓(xùn)練角度1對電容器的理解1．下列關(guān)于電容器的敘述正確的是()A．電容器是儲存電荷的容器，只有帶電的容器才能稱為電容器B．兩個(gè)彼此絕緣而又相互靠近的導(dǎo)體，當(dāng)帶電時(shí)構(gòu)成電容器，不帶電時(shí)不是電容器C．電容器所帶的電荷量是指每個(gè)極板所帶電荷量的代數(shù)和D．電容器充電過程是將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電容器的電能并儲存起來；電容器的放電過程，是將電容器儲存的電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能D[任何兩個(gè)彼此絕緣又相互靠近的導(dǎo)體就能儲存電荷，可以看成是一個(gè)電容器，并不肯定帶電．故A、B錯(cuò)誤；電容器所帶的電荷量是指隨意一個(gè)極板所帶電荷量的肯定值，故C錯(cuò)誤；電容表征電容器容納電荷的本事大小，與電容器板間電壓、所帶電量無關(guān)．電容器充電過程是將其他形式能轉(zhuǎn)變成電容器的電能并儲存起來；電容器放電過程，是將電容器儲存的電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，故D正確．]訓(xùn)練角度2公式C＝eq\f(Q,U)的理解及應(yīng)用2.如圖所示為某一電容器中所帶電荷量和兩端電壓之間的關(guān)系圖線，若將該電容器兩端的電壓從40V降低到36V，對電容器來說正確的是()A．是充電過程B．是放電過程C．該電容器的電容為5.0×10－2D．該電容器的電荷量改變量為0.20CB[由Q＝CU知，U降低，Q減小，故為放電過程，A錯(cuò)，B對；由C＝eq\f(Q,U)＝eq\f(0.2,40)F＝5×10－3F，可知C錯(cuò)；ΔQ＝CΔU＝5×10－3×4C＝0.02C，D錯(cuò)．]平行板電容器的兩類動(dòng)態(tài)分析1.平行板電容器始終連接在電源兩端：電勢差U不變．(1)由C＝eq\f(εrS,4πkd)∝eq\f(εrS,d)可知C隨d、S、εr的改變而改變．(2)由Q＝UC＝U·eq\f(εrS,4πkd)，可知，當(dāng)U不變時(shí)，Q也隨d、S、εr的改變而改變．(3)由E＝eq\f(U,d)∝eq\f(1,d)可知，當(dāng)U不變時(shí)，E隨d的改變而改變．2．平行板電容器充電后，切斷與電源的連接：電荷量Q保持不變．(1)由C＝eq\f(εrS,4πkd)∝eq\f(εrS,d)可知C隨d、S、εr的改變而改變．(2)由U＝eq\f(Q,C)＝eq\f(4πkdQ,εrS)∝eq\f(d,εrS)可知，當(dāng)Q不變時(shí)，U也隨d、S、εr的改變而改變．(3)由E＝eq\f(U,d)＝eq\f(Q,Cd)＝eq\f(4πkQ,εrS)∝eq\f(1,εrS)可知，E隨S、εr的改變而改變，而與d無關(guān)．【例2】如圖所示，平行板電容器帶有等量異種電荷，與靜電計(jì)相連，靜電計(jì)金屬外殼和電容器下極板都接地，在兩極板間有一固定在P點(diǎn)的點(diǎn)電荷．以E表示兩板間的電場強(qiáng)度，Ep表示點(diǎn)電荷在P點(diǎn)的電勢能，θ表示靜電計(jì)指針的偏角．若保持下極板不動(dòng)，將上極板向下移動(dòng)一小段距離至圖中虛線位置，則()A．θ增大，E增大 B．θ增大，Ep不變C．θ減小，Ep增大 D．θ減小，E不變思路點(diǎn)撥：解答本題時(shí)應(yīng)按以下思路分析：eq\x(板間距離的改變)→eq\x(電容的改變)→eq\x(電勢差的改變)→eq\x(電場強(qiáng)度的改變)→eq\x(P點(diǎn)電勢的改變)→eq\x(電勢能的改變)D[若保持下極板不動(dòng)，將上極板向下平移一小段距離，則依據(jù)C＝eq\f(εrS,4πkd)可知，C變大，Q肯定，則依據(jù)Q＝CU可知，U減小，則靜電計(jì)指針偏角θ減??；依據(jù)E＝eq\f(U,d)，C＝eq\f(εrS,4πkd)，Q＝CU聯(lián)立可得E＝eq\f(4πkQ,εrS)，可知Q肯定時(shí)，E不變；依據(jù)U1＝Ed1可知P點(diǎn)離下極板的距離不變，E不變，則P點(diǎn)與下極板的電勢差不變，P點(diǎn)的電勢不變，則Ep不變，故選項(xiàng)A、B、C錯(cuò)誤，D正確．]平行板電容器的動(dòng)態(tài)改變問題的分析方法抓住不變量分析改變量，其理論依據(jù)是：(1)首先明確不變量，是電荷量Q不變，還是電壓U不變．(2)用電容確定式C＝eq\f(εrS,4πkd)分析電容的改變．(3)用電容定義式C＝eq\f(Q,U)分析Q或U的改變．(4)用E＝eq\f(U,d)分析場強(qiáng)的改變，用U′＝Ed′分析某點(diǎn)與零電勢點(diǎn)間電勢差，進(jìn)一步分析該點(diǎn)電勢改變．eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])訓(xùn)練角度1平行板電容器的動(dòng)態(tài)分析1.(多選)如圖所示，用靜電計(jì)可以測量已充電的平行板電容器兩極板間的電勢差U，現(xiàn)使B板帶正電，試驗(yàn)中，電荷量不變，則下列推斷正確的是()A．增大兩極板之間的距離，靜電計(jì)指針張角變大B．將A板略微上移，靜電計(jì)指針張角將變大C．若將玻璃板插入兩極板之間，則靜電計(jì)指針張角變大D．若將A板拿走，則靜電計(jì)指針張角變?yōu)榱鉇B[電容器上所帶電荷量肯定，由公式C＝eq\f(εrS,4πkd)，當(dāng)d變大時(shí)，C變小，再由C＝eq\f(Q,U)得U變大；當(dāng)A板上移時(shí)，正對面積S變小，C變小，U變大；當(dāng)插入玻璃板時(shí)，C變大，U變?。划?dāng)將A板拿走時(shí)，相當(dāng)于使d變得更大，C更小，故U應(yīng)更大．故選A、B.]訓(xùn)練角度2平行板電容器與力學(xué)綜合2.如圖所示，平行板電容器與電動(dòng)勢為E的直流電源(內(nèi)阻不計(jì))連接，下極板接地．一帶電油滴位于電容器中的P點(diǎn)且恰好處于平衡狀態(tài)．現(xiàn)將平行板電容器的上極板豎直向上移動(dòng)一小段距離，則()A．帶電油滴將沿豎直方向向上運(yùn)動(dòng)B．P點(diǎn)的電勢將降低C．帶電油滴的電勢能將減小D．電容器的電容減小，極板帶電荷量將增大B[上極板向上移動(dòng)一小段距離后，板間電壓不變，仍為E，故電場強(qiáng)度將減小，油滴所受電場力減小，故油滴將向下運(yùn)動(dòng)，A錯(cuò)誤；P點(diǎn)的電勢大于0，且P點(diǎn)與下極板間的電勢差減小，所以P點(diǎn)的電勢減小，B正確；油滴向下運(yùn)動(dòng)時(shí)電場力做負(fù)功，油滴的電勢能應(yīng)增加，C錯(cuò)誤；電容器的電容C＝eq\f(εrS,4πkd)，由于d增大，電容C應(yīng)減小，極板帶電荷量Q＝CU將減小，D錯(cuò)誤．]靜電的應(yīng)用及危害1.靜電危害產(chǎn)生的主要緣由靜電危害起因于電場力和靜電火花，靜電危害中最嚴(yán)峻的靜電放電引起可燃物的起火和爆炸．2．防止靜電危害的主要方法與途徑(1)盡量削減靜電的產(chǎn)生，常用的方法是增大空氣的濕度．(2)盡快把靜電導(dǎo)走，防止靜電積累，常用的最簡潔方法是接地．3．靜電現(xiàn)象的應(yīng)用(1)應(yīng)用靜電現(xiàn)象的基本原理一般是讓帶電物質(zhì)微粒在電場力作用下奔向并吸附到異性電極或帶電體上，理解這一原理是解決這類問題的關(guān)鍵．(2)強(qiáng)電場電離空氣后，電子在電場力作用下向高電勢運(yùn)動(dòng)，從而使微粒吸附電子而帶負(fù)電．【例3】(多選)如圖所示為靜電除塵器除塵機(jī)理的示意圖．塵埃在電場中通過某種機(jī)制帶電，在電場力的作用下向集塵極遷移并沉積，以達(dá)到除塵的目的．下列表述正確的是()A．到達(dá)集塵極的塵埃帶正電荷B．電場方向由集塵極指向放電極C．帶電塵埃所受電場力的方向與電場方向相同D．同一位置帶電荷量越多的塵埃所受電場力越大BD[集塵極與電源的正極相連帶正電，放電極帶負(fù)電，塵埃在電場力作用下向集塵極遷移，說明塵埃帶負(fù)電荷，A項(xiàng)錯(cuò)誤；電場方向由集塵極指向放電極，B項(xiàng)正確；帶電塵埃帶負(fù)電，因此所受電場力方向與電場方向相反，C項(xiàng)錯(cuò)誤；同一位置電場強(qiáng)度肯定，由F＝qE可知，塵埃所帶電荷量越多，所受電場力越大，D項(xiàng)正確．]eq\o([跟進(jìn)訓(xùn)練])訓(xùn)練角度1靜電的應(yīng)用1.(多選)靜電噴涂機(jī)原理如圖所示．靜電噴涂機(jī)接高壓電源，工作時(shí)涂料微粒會(huì)向帶正電的被噴涂工件高速運(yùn)動(dòng)，微粒最終被吸到工件表面．關(guān)于靜電噴涂機(jī)的涂料微粒，下列表述正確的是()A．微粒帶正電B．微粒帶負(fù)電C．微粒受電場力作用D．微粒沿工件產(chǎn)生的電場的電場線運(yùn)動(dòng)BC[靜電噴涂機(jī)接高壓電源的負(fù)極，所以噴出的涂料微粒帶負(fù)電，故A錯(cuò)誤，B正確；由于靜電感應(yīng)工件的表面將會(huì)帶上正電，對四周的帶負(fù)電的涂料微粒產(chǎn)生吸引力，帶負(fù)電的涂料微粒在庫侖力的作用下向工件運(yùn)動(dòng)，故C正確，D錯(cuò)誤．]訓(xùn)練角度2靜電的危害與防止2．以下四幅圖均是與靜電現(xiàn)象相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用的例子，其中屬于防止靜電危害的是()ABCDD[A圖是利用靜電現(xiàn)象復(fù)印；B圖是利用靜電現(xiàn)象噴涂；C圖是利用靜電現(xiàn)象除塵．以上三圖均是靜電的利用．D圖是利用鐵鏈將靜電荷導(dǎo)走，屬于靜電危害的防止．故選D.]1．[物理觀念]電容器的概念，電容器的充電和放電過程．2．[科學(xué)看法與責(zé)任]靜電的應(yīng)用，靜電的危害與防止．3．[科學(xué)思維]C＝eq\f(Q,U)、C＝eq\f(εrS,4πkd)的理解及應(yīng)用，定電壓動(dòng)態(tài)分析，定電量動(dòng)態(tài)分析．1．電容器是一種常用的電子元件，對電容器的相識正確的是()A．電容器的