高中物理粤教版 (2019)必修 第三册电容器与电容学案

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第1课时 电容器与电容 实验:观察电容器的充放电现象
学习任务一 识别电容器 电容器的充放电
[教材链接] 阅读教材,完成下列填空:
1.识别电容器
(1)电容器的组成:两个互相 、彼此 的导体,导体间可以填充 .
(2)电容器的表示
在电路中,电容器用字母“ ”及电路符号“ ”表示.
(3)电容器的作用:储存 和电能.
(4)常见电容器,如图所示.
(5)电容器的应用
日光灯启辉器、电视机、照相机、电容式键盘、手机触摸屏中都有电容器.
2.电容器的充放电
(1)充电、放电:使电容器两个极板带上 ,这个过程叫充电.使电容器两极板上的电荷 的这个过程叫放电.
(2)从能量的角度区分充电与放电:充电是从电源获得能量储存在电容器中,放电是把电容器中的 转化为其他形式的能量.
(3)电容器的电量:其中 极板所带电量的绝对值.
[科学探究] 把直流电源、电容器、灯泡、单刀双掷开关连接成实验电路,如图所示.
(1)把开关S拨到A时,灯泡会亮,但不会一直亮.
(2)把开关S由A拨到B时,灯泡会亮,但不会一直亮.
(3)两次流过灯泡的电流方向 (选填“相同”或“不相同”),这是因为把开关S拨到A时,电容器 ,流过灯泡的电流自左向右;再把开关S拨到B时,电容器 ,电容器相当于电源,流过灯泡的电流自右向左.
例1 [2024·广州期末] 下列元器件中,属于电容器的是( )
A
B
C
D
例2 [2024·河南郑州一中月考] 如图所示为研究电容器的充、放电实验电路图,实验前,开关S是断开的,电容器不带电.下列的操作过程中,正确的说法是( )
A.开关S接1,电容器上极板带负电
B.开关S接1稳定后,再断开S,电容器两极板间有电场存在
C.开关S接1稳定后,再将S掷向2,通过电流传感器的电流方向向上
D.开关S接1稳定后,再将S掷向2,通过电阻R的电流方向向右
变式1 [2024·汕头期末] 如图所示的电路中,开关S从a拨向b后,灵敏电流计指针偏转,这时( )
A.电容器正在充电,电流的方向为顺时针
B.电容器正在充电,电流的方向为逆时针
C.电容器正在放电,电流的方向为顺时针
D.电容器正在放电,电流的方向为逆时针
【要点总结】
1.电容器两极板间的电介质是绝缘物质,所以充电结束后的电容器相当于断路.
2.充电过程中电荷在两极板上集聚,形成充电电流,且流向正极板.
3.放电过程中,电荷由极板流向用电器,形成放电电流,且电流由正极板流向用电器.
学习任务二 电容器的电容
[教材链接] 阅读教材,完成下列填空:
1.电容
(1)定义:电容器所带的 与电容器两极板间的 之比.
(2)定义式:C=QU
(3)单位: ,简称法,符号是F,常用的单位还有微法和皮法,它们的换算关系是:1 F=106 μF=1012 pF.
(4)物理意义:电容器的电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量, 在国际单位制中,如果使一个电容器的两极板间的电势差为1 V,电容器上所储存的电量为1 C,则这个电容器的电容就是 1 F.
(5)影响因素:电容是电容器本身的一种属性,其大小与电容器本身的结构 ,与电容器所带的电量Q及两极板间电压U的大小 .
2.击穿电压和额定电压
(1)击穿电压:电介质不被击穿时加在电容器两极板上的极限电压,若电压超过这一限度,电容器就会损坏.
(2)额定电压:电容器外壳上标的电压是工作电压(或称额定电压),也是电容器正常工作时所能承受的最大电压.
(3)额定电压比击穿电压 .
例3 [2024·中山期末] 如图所示是一个电解电容器,由标注的参数可知( )
A.电容器的击穿电压为100 V
B.当电容器的电压低于100 V时,电容器无法工作
C.给电容器加50 V电压时,电容器的电容为110 μF
D.电容器允许容纳的最大电荷量为0.022 C
例4 [2024·广州期中] 如图所示,平行板电容器的两个极板A、B分别接在电压为U=60 V的恒压电源上,两极板间距为d=3 cm,电容器带电荷量为Q=6×10-8 C,A极板接地,求:
(1)平行板电容器的电容C;
(2)平行板电容器两板之间的电场强度E.
变式2 有一充电的平行板电容器,两极板间的电势差为3 V,现使它的电荷量减少3×10-4 C,于是电容器两极板间的电势差降为原来的13,则此电容器的电容是多大?电容器原来带的电荷量是多少?若将电容器极板上的电荷全部放掉,则电容器的电容是多大?
【要点总结】
1.电容器电容的定义式C=QU中的Q为电容器所带的电荷量,是其中一个极板上所带电荷量的绝对值,不是两个极板所带的电荷量总和或绝对值总和.
2.电容器的电容也可用公式C=ΔQΔU计算,ΔQ表示电荷量的变化,ΔU表示电势差的变化.
学习任务三 实验:观察电容器的充放电现象
【实验目的】
(1)通过观察,了解电容器在充电和放电的过程中,电路中电流的变化;
(2)判断电容器在充电和放电的过程中,两极板储存电荷量的变化;
(3)探究电容器所带电荷量与两极板间电压的关系.
【实验步骤】
1.如图所示为实验原理图,其中R=10 kΩ,电容器C标有“50 μF”,耐压为25 V,电源为1节干电池.采用如图所示的电路观察电容器的充、放电现象.
(1)电容器的充电:把开关接a,此时电源给电容器充电, 将电流传感器和电压传感器采集的数据传输给计算机,计算机通过数据进行分析和处理,得到电容器充电过程中的U-t图像和I-t图像.
(2)电容器的放电:把开关接b,此时电容器对电阻R放电, 将电流传感器和电压传感器采集的数据传输给计算机,计算机通过数据进行分析和处理,得到电容器放电过程中的U-t图像和I-t图像.
(3)电容器充、放电过程中的U-t图像和I-t图像如图所示.
【实验结论】
【讨论与交流】
1.一位同学用电流传感器观察电容器放电过程的变化情况得到的I-t图像如图所示,电源电压是8 V.
(1)在图中画一个竖立的狭长矩形(在图的最左边),它的面积的物理意义是什么?
(2)怎样根据I-t图像估算电容器在全部放电过程中释放的电荷量?试着算一算.
注意:“面积”的计算:计算格子数,小于半格的舍去,大于半格的算一格.
2.电容器所带电荷量与两极板间电压的关系
在I-t图像中,图像与横坐标轴所围的面积表示电容器所带的 .当电源改用2节、3节、4节、5节干电池时,利用实验测得的数据可得极板所带电量与所加电压U的关系图线如图所示.根据图线可知,电容器所带的电荷量与电容器两极板间的电压成 .
例5 [2024·广州期中] 如图所示,图甲是利用传感器在计算机上观察电容器充放电过程的电路原理图,图乙、丙分别是实验中得到的I-t图像和U-t图像,根据图中信息,回答下列问题:
(1)按图甲正确连接电路后,先将开关K拨至a端,电容器 (选填“充电”或“放电”),然后将开关K拨至b端,电容器 (选填“充电”或“放电”).
(2)根据图乙,可知电容器充电过程中,电容器两板间的电压逐渐 (选填“变大”“不变”或“变小”),电路中的电流逐渐 (选填“变大”“不变”或“变小”);电容器放电的过程中,电容器两板间的电压逐渐 (选填“变大”“不变”或“变小”),电路中的电流逐渐 (选填“变大”“不变”或“变小”).
(3)改变电源电压,重复上述实验,得到多组I-t和U-t图像.根据所学知识判断,图乙中的阴影部分“面积”S与图丙中的纵坐标值U的比值 (选填“变大”“不变”或“变小”).
变式3 [2024·辽宁沈阳期末] 在“观察电容器的充、放电过程”实验中,按图甲所示连接电路.开关未闭合时,电源电压U=8.0 V,实验操作时,单刀双掷开关S先跟2相接,某时刻开关改接1,一段时间后,把开关再改接2.实验中使用了电流传感器来采集电流随时间的变化情况.
(1)开关S改接2后,电容器进行的是 (选填“充电”或“放电”)过程.此过程得到的I-t图像如图乙所示,如果不改变电路其他参数,只减小电阻R的阻值,则此过程的I-t曲线与坐标轴所围成的面积将 (选填“增大”“减小”或“不变”)
(2)若实验中测得该电容器在整个放电过程中释放的电荷量为Q=3.44×10-3 C,则该电容器的电容为 μF.(1 μF=10-6 F)
(3)关于电容器在整个充、放电过程中的q-t图像和UAB-t图像的大致形状,可能正确的有 (q为电容器极板所带的电荷量,UAB为A、B两板的电势差).
A
B
C
D
1.(电容)[2024·中山期末] 一个经过充电的电容器,极板上所带电荷量为2.0×10-5 C,两极板之间的电压为5 V,则此电容器的电容为( )
A.4×10-3 FB.4×10-4 F
C.4×10-5 FD.4×10-6 F
2.(实验:观察电容器的充、放电现象)[2024·福建宁德期末] 在“观察电容器的充、放电现象”实验中,使用图甲所示电路观察电容器的充、放电过程.电路中的电流传感器与计算机相连,可以显示出电流i随时间t变化的图像.
(1)为使电源向电容器充电,应将开关S与 (选填“1”或“2”)端相连;
(2)实验前直流电源电动势为E=6 V,电容器不带电,电容器充、放电过程电流随时间变化的i-t图像如图乙所示.
①图中阴影部分的面积S1 S2(选填“等于”或“不等于”);
②计算机测得S1=12 mA·s(即充电总电荷量为12×10-3 C),则该电容器的电容为 F;
③由甲、乙两图可判断阻值R1 R2(选填“大于”或“小于”).
第二章 静电场的应用
第一节 电容器与电容
第1课时 电容器与电容 实验:观察电容器的充放电现象
[教材链接] 1.(1)靠近 绝缘 绝缘物质(电介质)
(2)C ┤├ (3)电荷
2.(1)等量异种电荷 中和 (2)电场能 (3)一个
[科学探究] (3)不相同 充电 放电
例1 D [解析] A图为滑动变阻器,故A不符合题意;B图为电灯泡,故B不符合题意;C图为开关,故C不符合题意;D图为调谐电容器,属于电容器.故D符合题意.
例2 B [解析] 开关S接1,相当于给电容器充电,充电后电容器上极板与电源正极相连接,带正电,A错误;开关S接1稳定后,充电完毕,再断开S,电容器两极板间有电场存在,B正确;开关S接1稳定后,再将S掷向2,此时电容器处于放电过程,放电过程上极板相当于电源的正极,流过电流传感器的电流方向向下,流过电阻R的电流方向向左,C、D错误.
变式1 D [解析] 开关S打在a时,电容器被充电,上极板带正电,下极板带负电;开关S从a拨向b后,灵敏电流计指针偏转,这时电容器正在放电,电流方向由上极板流向下极板,即电流的方向为逆时针,故选D.
[教材链接] 1.(1)电量Q 电压U (3)法拉 (5)有关 无关 2.(3)低
例3 D [解析] 电容器的额定电压为100 V,低于100 V时也可以工作,故A、B错误;电容只与电容器本身有关,给电容器加50 V电压时,电容器的电容为220 μF,故C错误;根据C=QU,代入数据得电容器允许容纳的最大电荷量为0.022 C,故D正确.
例4 (1)1×10-9 F (2)2×103 V/m,方向竖直向下
[解析] (1)依电容定义有C=QU=6×10-860 F=1×10-9 F
(2)两板之间为匀强电场,根据匀强电场中场强与电势差关系有E=Ud=603×10-2=2×103 V/m
方向竖直向下
变式2 150 μF 4.5×10-4 C 150 μF
[解析] 电容器两极板间电势差的变化量的绝对值为
|ΔU|=1-13U=23×3 V=2 V
故C=ΔQΔU=3×10-42 F=1.5×10-4 F=150 μF
电容器原来带的电荷量为
Q=CU=1.5×10-4×3 C=4.5×10-4 C
电容器的电容是由其本身决定的,与其所带电荷量无关,所以将电容器极板上的电荷全部放掉后,电容仍然是150 μF
【实验结论】
增大 减小 0 减小 0 减小 增加 减少 增大 减小 电场能
【讨论与交流】
1.(1)0~0.2 s内电路中流过的电荷量.
(2)计算图线与横轴间的面积,约为40格,Q=3.2×10-3 C.
2.电荷量 正比
例5 (1)充电 放电 (2)变大 变小 变小 变小 (3)不变
[解析] (1)由图甲可知,开关K拨至a端,电容器充电,开关K拨至b端,电容器放电.
(2)由图乙和图丙可知,充电过程,电容器两板间的电压逐渐变大,电路中的电流逐渐变小,放电过程,电容器两板间的电压逐渐变小,电路中的电流逐渐变小.
(3)由电流的定义式I=qt,可知乙中的阴影部分“面积”S表示电容器极板上的电荷量,图丙中的纵坐标值U表示电容器两端电压,则有SU=QU=C,可知图乙中的阴影部分“面积”S与图丙中的纵坐标值U的比值为电容器的电容,保持不变.
变式3 (1)放电 不变 (2)430 (3)AD
[解析] (1)电容器充电结束后,将电容器的两端与一个闭合的外电路接通时,电容器开始放电,开关改接2后,电容器与左侧形成一个闭合回路,进行的是放电过程,因为总电荷量不会因为电阻R而变化,则曲线与坐标轴所围成的面积不变.
(2)根据C=QU,代入数据解得C=4.3×10-4 F=430 μF.
(3)电源给电容器充电时,极板上的电荷从没有到有,从少到多,需要一个过程,在开始充电的瞬间,由于极板上没有电荷,电容器极板两端电压为零,此时电容器相当于短路,极板上很容易充上电荷,所以电荷量变化率刚开始比较大,随着电容器极板上电荷数量的增加,电荷量变化率减小,电容放电时,刚开始两极板间电势差较大,电荷量的变化率较大,随着放电进行,两极板间电势差减小,电荷量变化率也减小,故A正确,B错误;根据C=QU且C不变可知,Q与U的变化情况相同,故C错误,D正确.
随堂巩固
1.D [解析] 根据电容的定义式可得电容为C=QU=2.0×10-55 F=4×10-6 F,故选D.
2.(1)1 (2)①等于 ②2×10-3 ③小于
[解析] (1)为使电源向电容器充电,应将电容器接在电源两端,故开关S应接1.
(2)①S1表示电容器充电后所带电荷量,S2表示电容器放电的电荷量,所以S1=S2.
②该电容器的电容为C=QU=S1E=2×10-3 F.
③由题图乙可知电容器充电瞬间电流比电容器放电瞬间电流大, 且电容器充电瞬间电源电压和放电瞬间电容器两端电压相等,则有UR1+R0>UR2+R0,所以R1