高中物理第一章第8节电容器的电容教案新人教版选修3_1

8．电容器的电容三维目标知识与技能1．知道什么是电容器及常见的电容器；2．知道电场能的概念，知道电容器充电和放电时的能量转换；3．理解电容器电容的概念及定义式，并能进行有关的计算；4．知道平行板电容器的电容与哪些因素有关，掌握平行板电容器电容的决定式，知道其中各项的含义，并能运用其讨论有关问题。

过程与方法结合实物观察与演示，在计算过程中理解掌握电容器的相关概念、性质。

情感态度与价值观1．体会电容器在实际生活中的广泛应用，培养学生探究新事物的兴趣。

2．渗透了事物的本质是自身的因素，即内因决定，不由外因决定的观点。

电容器两极板带等量异种电荷，体现物理学中的对称美。

教学重点电容的概念、定义式及平行板电容器电容的决定式。

教学难点电容器的电容的计算与应用。

教学方法类比法、实验法、归纳法、讲练法。

教具准备静电计、平行板电容器、铁架台、电介质板、电容器示教板（上装各种电容器）、电容器的幻灯片、电池组。

课时安排1课时教学过程［新课导入］场强与电势有无直接关系？无直接关系。

E大，φ不一定大，E为零，φ不一定为零，反之亦然。

场强与电势差有无直接关系？有直接关系。

在匀强电场中，E＝Ud，d指沿场强方向间距离，仅适用于匀强电场。

匀强电场是最简单的电场，也是中学阶段用得最多的电场。

前面我们知道两块平行金属板间的电场是匀强电场，今天我们继续学习一种类似于平行金属板构造的元件──电容器。

［新课教学］一、电容器1．电容器电容器是一种重要的电学元件，有广泛的应用。

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（空气也是一种电介质），就组成一个最简单的电容器，叫做平行板电容器。

这两个金属板叫做电容器的极板。

实际上，任何两个彼此绝缘又相距很近的导体，都可以看成一个电容器。

(出示电容器示教板，使学生仔细观察，找出电容器的共同点)任何两个彼此绝缘又相隔很近的导体，组成一个电容器。

电容器能贮藏电量和能量，两个导体称为电容的两极。

下面以平行板电容器为例来学习有关电容器的一些基本知识。

2．电容器的充放电（1）充电 ①充电 如图所示，把电容器的一个极板与电池组的正极相连，另一个极板与负极相连，两个极板就分别带上了等量的异种电荷。

电容器两板分别接在电池两端，两板带上等量异种电荷的过程叫做充电。

②充电过程的能量转化在充电过程中，从灵敏电流计可以观察到短暂的充电电流。

充电后，切断与电源的联系，两个极板上的电荷由于相互吸引而保存下来，两个极板间有电场存在。

充电过程中由电源获得的电能贮存在电场中，称为电场能。

充电过程──极板带电量Q 增加，板间电压U 增加，板间场强E 增加，电能转化为电场能。

（2）放电①放电 如图所示，如果把充电后的电容器的两极板接通，两极板上的电荷互相中和，电容器就不再带电。

充电后的电容器两极板用导线相连，两极板上的电荷中和的过程叫做放电。

②放电过程的能量转化在放电过程中，从灵敏电流计可以观察到有短暂的放电电流。

放电后，两极板间不再有电场，电场能转化为其它形式的能。

放电过程──极板带电量Q 减少，板间电压U 减小，板间场强E 减小，电场能转化为其他形式能。

(用课件模拟电容器的充电和放电过程)二、电容1．电容器所带的电荷量电容器所带的电荷量，是指每个极板所带电荷量的绝对值。

2．电容电容器是容纳电荷的容器。

充电后的电容器的两极板间有电势差，这个电势差跟电容器所带的电荷量有关。

一个电容器容纳电荷的本领如何描述呢？用电容器所带电荷量描述吗？问题：甲电容器两板各带2C 电量，板间电压为2000V ，乙电容器两板各带3C 电量，板间电压为4000V ，能否说乙电容器容纳电荷的能力大呢？分析：不能。

电容器所带电量越多，板间电压越大。

对上述问题，不能在电压不同这种不对等情况下比较电荷量，应在相同电压下讨论，可取1V 电压下对比它们的电荷量。

甲：2C 2000V ；乙：3C 4000V，所以甲容纳电荷的本领大。

实验表明，一个电容器所带的电荷量Q 与电容器两极板间电压U 成正比，比值Q U是一个常量。

但不同的电容器，这个比值一般是不同的，可见，这个比值表征了电容器储存电荷的特性。

总结：可用电容器所带电荷量与两板间电压的比值来描述电容器容纳电荷的本领。

（1）定义电容器所带电荷量Q 与电容器两极板间的电势差U 的比值，叫做电容器的电容。

这是用比值定义法定义的。

（2）公式用C 表示电容，则有U＝0C＝QΔQUΔU=（量度式）上式表示，电容器的电容在数值上等于使两板间电势差为1V时电容器需要带的电荷量。

或等于使电容器两极板间电势差增加1V时所需的电荷量。

需要的电荷量多，表示电容器的电容大。

（3）物理意义(类比理解)电容器水容器↓↓容纳电荷的能力容纳水的能力↓↓单位电压电容器所带电量单位深度水容器所带水量（体积V）↓↓C＝QUVh＝S（横截面积）↓↓确定的电容器C确定确定的水容器S确定即：C由电容器自身决定由水容器自身决定电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量，由电容器本身决定，与电容器是否带电无关。

【思考与讨论】问题：C由Q、U决定吗？分析：C不由Q、U这些外界因素决定，因为引入C是描述电容器容纳电荷本领的，是电容器本身的特性，故C由自身条件决定。

定义式C＝QU为量度式，C不能说与Q成正比，与U成反比，C与Q、U无关。

不论电容器是否带电，带多少电，两极板间的电势差是多少等，电容器的电容都是个定值。

Q＝CU，Q由C、U决定；U＝QC，U由Q、C决定。

（4）单位在国际单位制中，电容的单位是法拉，简称法，符号是F。

如果一个电容器带1C的电量，两极板间的电势差是1V，这个电容器的电容就是1F。

法拉这个单位太大，实际中常用较小的单位：微法(μF)和皮法(pF)，它们与法拉的关系是：1F＝106μF＝1012pF现在已经能够制成电容超过1F的电容器。

三、平行板电容器的电容1．平行板电容器两块平行且相互绝缘的金属板构成的电容器，叫做平行板电容器。

平行板电容器是电容器中具有代表性的一种，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。

所以我们先研究平行板电容器的电容。

2．影响平行板电容器电容的因素现在我们研究平行板电容器的电容跟哪些因素有关。

【演示】介绍静电计：静电计是在电容器的基础上制成的，用来测量电势差。

把它的金属球接一导体，金属外壳接另一导体，从指针的偏角可测出两导体间的电势差，指针偏角越大，指针与外壳间电势差越大。

将平行板电容器的一板固定于铁架台上，且与一外壳接地的静电计的金属球连接，手持有绝缘柄的另一极板，并将该板与静电计的外壳连接。

用电池组给电容器充电后断开电源，保持极板上的电量Q不变。

（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。

现象：S增大时，静电计指针偏角变小；S减小时，指针偏角变大。

分析：根据C＝QU，Q不变。

S↑→U↓，则C增大。

S↓→U↑，则C减小。

精确实验表明：C与S成正比。

（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。

现象：板间距d增大时，静电计指针偏角变大；板间距d减小时，静电计指针偏角减小。

分析：给电容器充电后断开电源，电源不再继续对电容器充电，同时也没有导线将两板相连，电容器也不会放电，电容器所带电荷量不变。

根据C＝QU，Q不变。

d↑→U↑，则C减小。

d↓→U↓，则C增大。

精确实验表明：C和d成反比。

（3）保持Q、S、d都不变，在两板间插入电介质现象：两极板位置不变，把电介质板插入，可观察到电介质板进入过程中，静电计指针偏角变小。

分析：电介质一般指绝缘物质，无自由电荷，电荷可在平衡位置附近做微小振动。

当绝缘物质处于外加电场中时，这些电荷受力，其分布将发生一定的变化，在靠近正极板表面上出现负电荷，在靠近负极板表面上出现正电荷。

这些电荷不是自由电荷，而是被束缚在电介质上，不能自由移动。

这些束缚电荷使板间电场削弱，两板间电势差U降低，从而使静电计指针偏角减小。

也可以用能的观点加以分析：电介质板插入过程中，由于束缚电荷与极板上电荷相互吸引力做功，电势能减少，故电势差降低。

根据C＝QU，Q不变。

板间插入电介质→U↓，则C增大。

板间充满某种介质时，C会变为板间为真空时的若干倍。

总结：一般来说，电容器的电容是由两个导体的大小和形状，两个导体的相对位置及极板间的电介质决定的。

3．平行板电容器电容公式理论分析表明，平行板电容器的两极板间是真空时，电容C与极板的正对面积S、极板距离d的关系为4SCπkd=式中k为静电力常量。

当两极板间充满同一种介质时，电容变大为真空的εr倍，即4rεSCπkd=（决定式）εr是一个常数，与电介质的性质有关，称为电介质的相对介电常数。

空气的相对介电常数与1十分接近，所以在一般性研究中，空气对电容的影响可以忽略。

参见课本中给出的《几种常用电介质的相对介电常数》表。

【思考与讨论】1．平行板电容器充电后保持两极板与电源相连，U 、C 、Q 、E 怎样随d 、S 变化U 不变，等于电源电压。

C ↓→Q ↓d ↑→E （＝U /d ）↓C ↑→Q ↑S ↑→E （＝U /d ）不变2．平行板电容器充电后两极板与电源断开，U 、C 、Q 、E 怎样随d 、S 变化Q 不变C ↓U (＝Q /C )↑ E ＝/4r U Q C πkQ d d εS==，保持不变 C ↓U (＝Q /C )↑ E ＝/4r U Q C πkQ d d εS==↑ 四、常用电容器常用的电容器，从构造上看，可以分为分固定电容器和可变电容器两类。

1．固定电容器固定电容器的电容是固定不变的。

固定电容器中，根据使用的介质不同又有不同的名称。

常用的有纸质电容、聚苯乙烯电容和电解电容等。

固定电容器大都通过改变正对面积来制造出不同电容的电容器。

以聚苯乙烯薄膜为电介质，把两层铝箔隔开，卷起来，就制成了聚苯乙烯电容器。

改变铝箔的面积和薄膜的厚度，可以制成不同电容的聚苯乙烯电容器。

用陶瓷做电介质的固定电容器也很多。

电解电容器是用铝箔做一个极板，用铝箔上很薄的一层氧化膜做电介质，用浸过电解液的纸做另一个极板（要靠另一片铝箔与外部引线连接）制成的。

由于氧化膜很薄，所以电容较大。

电解电容器两个引线一长一短，短者为负，使用时注意区分，电解电容器的正负极是固定的，使用时不能接错。

2．可变电容器可变电容器的电容是可以改变的。

可变电容器由两组铝片组成，它的电容是可以改变的。

固定的一组铝片叫定片，可以转动的一组铝片叫动片。

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。

(出示电容器示教板，介绍各种电容器，让学生注意各种电容器的表示符号)3．电容器的两个重要参数（1）电容d ↑→S ↓→（2）额定电压、击穿电压加在电容器两极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，这个极限电压称为击穿电压。