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鲁科版 (2019)必修 第三册第5节 科学探究:电容器教学设计及反思
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这是一份鲁科版 (2019)必修 第三册第5节 科学探究:电容器教学设计及反思，共1页。教案主要包含了教学目标，教学重，教学用具，相关资源，教学过程，课堂小结等内容，欢迎下载使用。
1．知道电容器的概念，掌握电容器充、放电的原理和电流变化情况；
2．掌握电容的相关概念；
3．掌握影响平行板电容器电容的因素；
4．认识一些常用电容器；
二、教学重、难点
重点：电容的概念公式和影响平行板电容器电容的因素。
难点：结合电容定义式和平行板电容决定式解决有关物理量的变化问题。
三、教学用具
多媒体设备，静电计，带绝缘支架的导体圆板（两个），起电机，电介质板（泡沫塑料板），各种常用电容器。
四、相关资源
《电容器的电容》视频资源、《电容器的充放电》、《影响电容大小的有关因素》视频资源等。
五、教学过程
【课堂引入】教师播放视频：《电容器的电容》。
（插入视频《电容器的电容》）
教师：通过视频我们知道，瓶子不但可以装水，还能装电。那么，莱顿瓶是如何装电的呢？又是怎么把电取出来呢？今天我们就来学习新时代的莱顿瓶——电容器。
【新知讲解】
一、电容器
教师展示图片电容器，同时拿出实物电容器给学生观察。
教师讲解：任何两个彼此绝缘又相距很近的导体组成的元器件都可以叫做电容器。注意通过定义，我们知道电容器是由两个导体组成。组成电容器的导体称为电容器的两个极板。又因为电容器要彼此绝缘，所以两个极板之间要用绝缘体隔开，也就是说电容器极板中间的物质是绝缘体，我们称为电介质。
教师提问：怎么让电容器储存电荷呢？
学生回答：给电容器充电。
教师讲述：给电容器充电就是让电容器两极板带上等量异种电荷的过程。我们用如图所示的电路图给电容器充电，当开关闭合，在电源的作用下，正电荷不断的聚集在电容器上极板上，同时下极板不断聚集负电荷。由于正负电荷的聚集使电容器两极板之间形成一个匀强电场，同时两极板之间也产生了电势差也就是电压。直到我们的电压等于电源电压，充电结束，此时电路中没有了电流。
注意，在充电过程中，我们如果以顺时针方向规定为电流正方向。那么，电容器充电时电路中的电流如右图所示，开始电流很大，然后逐渐减小，直到电容器充满电时电流为零。
这样电容器就储存上了电荷。在这里大家要注意，我们以后所说的电容器所带电荷量是指电容器一个极板所带电荷量的绝对值。
通过电容器充电的过程，我们能够知道电容器充电是将电源的能量转化为两极板之间的电场能。
教师提问：那我们如何把电荷从电容器中取出呢？
学生回答：给电容器放电。
教师讲述：对，同学们说的很对，那怎么给电容器放电呢？其实给电容器放电就是使充电后的电容器电荷中和失去电荷的过程。我们用导线将电容器的两个极板直接连接起来，使正电荷和负电荷通过导线中和，让电容器失去电荷，这个过程就是电容器的放电。
电容器放电时的电流图像如右图所示，从图像可以看出，开始时电流也是较大，然后逐渐减小到零。但放电时电流的方向和充电时电流的方向是相反的，这一点大家要注意。
电容器放电是把两极板的电场能转化为其它形式的能。
二、电容
教师：我们学习了电容器，知道电容器能够储存电荷，那么一个给定的电容器能储存多少电荷呢？我们用一个新的物理量——电容，来表示电容器能存储电荷的多少。
引导学生分析：两极板积累异号电荷越多，其中带正电荷一极电势越高，带负电荷一极电势越低，从而电势差越大。
可类比于水容器（柱形），Q电量类比于水体积，电势差U类比于水深，U越大，Q越大，水体积与水深度比值为横截面积不变。理论上可得Q/U比值也不变，类比于横截面积，我们把这个比值称为电容。
1.定义：电容器所带电量与两极板间电势差的比值叫电容器的电容，用C表示。
2．公式： C = Q/U
Q：每一个极板带电量的绝对值。
U：电容器两极板之间的电势差——电压。
理解：电容C与Q、U无关，由电容器本身决定。
3．物理意义：表征电容器容纳电荷本领的大小。
4．单位：国际制单位为法拉，简称法，符号为F。1F=1C/V。常用单位有微法（μF）、皮法（pF）1F = 106μF = 1012pF。
说明：对于给定电容器，相当于给定柱形水容器，C（类比于横截面积）不变。这是量度式，不是关系式。在C一定情况下，Q=CU，Q正比于U。所以Q－U图象是一条过原点的直线（如图所示），其中Q为一个极板上所带电荷量的绝对值，U为两板间的电势差，直线的斜率表示电容大小，因而电容器的电容也可以表示为C＝∆Q/∆U，即电容的大小在数值上等于两极板间的电压增加(或减小)1 V所增加(或减小)的电荷量。
C1大于C2
三、平行板电容器
电容器中具有代表性的一种。
构成：两块平行相互绝缘金属板。可强调一下：①两极间距d；②两极正对面积S。
教师播放交互动画：《影响电容大小的有关因素》。
（插入视频《影响电容大小的有关因素》）
教师：通过实验我们得到平行板电容器电容大小的决定式是
C=εrs/4πkd
s---两极板正对面积；k---静电力常量；d---两极板的正对距离；εr---介电常数。
教师：我们知道了电容的定义式，也学习了平行板电容器的决定式，现在同学们来思考这样两个问题，然后互相讨论一下。
展示问题：（1）电容器充电后保持和电源连接，如果增大两极板之间距离d，这时，则U、Q、E如何变化?
（2）电容器充电后断开和电源连接，在这种情况下，如果增大d，则U、Q、E如何变化?
引导学生讨论，寻找那些量变化，那些量不变等。
教师总结：分析电容器动态变化问题的步骤
a.明确电容器与电源连接情况，从而确定是电压不变还是电荷量不变。
b.由C=εrs/4πkd，根据εr、S、d的变化确定C的变化。
c.由C＝Q/U确定Q或U的变化。
d.根据E＝U/d＝4πkεrsQ判断E的变化。
四、常用电容器
教师展示各种常用电容器。
教师解释电容器上铭牌（0.1F、350V）的含义：
“0.1F”为电容，表示电容器容纳电荷本领的物理量。
“350V”为额定电压，电容器长期工作所能承受的电压。
简单讲解几种常用的电容器：
聚苯乙烯电容器，在两层铝箔中间夹有聚苯乙烯薄膜，一起卷绕成圆柱体，就制成了聚苯乙烯电容器。改变铝箔的面积和聚苯乙烯薄膜的厚度，可以制成电容大小不同的电容器。
陶瓷电容器又称为瓷介电容器或独石电容器。顾名思义，瓷介电容器就是介质材料为陶瓷的电容器。根据陶瓷材料的不同，可以分为低频陶瓷电容器和高频陶瓷电容器两类。按结构形式分类，又可分为圆片状电容器、管状电容器、矩形电容器、片状电容器、穿心电容器等多种。
电解电容器的内部有储存电荷的电解质材料，分正、负极性，类似于电池，不可接反。正极为粘有氧化膜的金属基板，负极通过金属极板与电解质（固体和非固体）相连接。
特点是容量大、体积大、有极性，一般用于直流电路中作滤波、整流。目前最常用的电解电容器有铝电解电容器和钽电解电容器。
可变电容器，一般由相互绝缘的两组极片组成：固定不动的一组极片称为定片，可动的一组极片称为动片。几只可变电容器的动片可合装在同一转轴上，组成同轴可变的电容器（俗称双联、三联等）。
可变电容器是一种电容量可以在一定范围内调节的电容器，改变极片间相对的有效面积或片间距时，它的电容量就相应地变化。通常在无线电接收电路中作调谐电容器用。
超级电容器，超级电容器是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型器件。
超级电容器的出现使电容器的容量得到了巨大的提升。超级电容器的充电时间短，储存电能多，放电功率大，使用寿命长。这些优点展现了它作为新型动力电源的广阔发展前景。
典型例题
例1.下列说法中正确的是（ ）
A.电容器所带的电荷越多，电容就越大
B.电容器两极板间电压越高，电容就越大
C.电容器所带电荷增加一倍，则两极间的电压也一定增加一倍
D.电容表征电容器容纳电荷的本领的物理量
E.平行板电容器保持带电量不变而增大板距时，两板间电压要减小
F.平行板电容器一板带电＋Q，另一板带电－Q，则此电容器不带电
参考答案：CD
例2.连接在电池两极上的平行板电容器，当两极板间的距离减小时（ ）
A.电容器的电容C变大
B.电容器极板的带电量Q变大
C.电容器两极间的电势差U变大
D.电容器两极板间的电场强度E变大
参考答案：ABD
例3.在下图所示的实验装置中，平行板电容器的极板A与一个灵敏的静电计相接，极板B接地，若极板B稍向上移动一点，由观察到的指针变化做出平行板电容器电容变小的依据是（ ）
A.两极板间的电压不变，极板上的电荷量变小
B.两极板间的电压不变，极板上的电荷量变大
C.极板上电荷量几乎不变，两极板间电压变小
D.极板上电荷量几乎不变，两极板间电压变大
参考答案：D
六、课堂小结
几种电介质的介电常数 εr
电介质
空气
石蜡
陶瓷
玻璃
云母
介电常数
1.0005
2.0-2.1
6
4-11
6-8
始终与电源连接
充电后与电源断开
不变量
U不变
Q不变
自变量
d
S
因变量
E＝U/d，d变大，E变小；d变小，E变大
E＝4πkεrsQ，S变大，E变小；S变小，E变大
Q＝εrs4πkdU，d变大，Q变小；d变小，Q变大
U＝4πkdεrsQ，S变大，U变小；S变小，U变大
1．知道电容器的概念，掌握电容器充、放电的原理和电流变化情况；
2．掌握电容的相关概念；
3．掌握影响平行板电容器电容的因素；
4．认识一些常用电容器；
二、教学重、难点
重点：电容的概念公式和影响平行板电容器电容的因素。
难点：结合电容定义式和平行板电容决定式解决有关物理量的变化问题。
三、教学用具
多媒体设备，静电计，带绝缘支架的导体圆板（两个），起电机，电介质板（泡沫塑料板），各种常用电容器。
四、相关资源
《电容器的电容》视频资源、《电容器的充放电》、《影响电容大小的有关因素》视频资源等。
五、教学过程
【课堂引入】教师播放视频：《电容器的电容》。
（插入视频《电容器的电容》）
教师：通过视频我们知道，瓶子不但可以装水，还能装电。那么，莱顿瓶是如何装电的呢？又是怎么把电取出来呢？今天我们就来学习新时代的莱顿瓶——电容器。
【新知讲解】
一、电容器
教师展示图片电容器，同时拿出实物电容器给学生观察。
教师讲解：任何两个彼此绝缘又相距很近的导体组成的元器件都可以叫做电容器。注意通过定义，我们知道电容器是由两个导体组成。组成电容器的导体称为电容器的两个极板。又因为电容器要彼此绝缘，所以两个极板之间要用绝缘体隔开，也就是说电容器极板中间的物质是绝缘体，我们称为电介质。
教师提问：怎么让电容器储存电荷呢？
学生回答：给电容器充电。
教师讲述：给电容器充电就是让电容器两极板带上等量异种电荷的过程。我们用如图所示的电路图给电容器充电，当开关闭合，在电源的作用下，正电荷不断的聚集在电容器上极板上，同时下极板不断聚集负电荷。由于正负电荷的聚集使电容器两极板之间形成一个匀强电场，同时两极板之间也产生了电势差也就是电压。直到我们的电压等于电源电压，充电结束，此时电路中没有了电流。
注意，在充电过程中，我们如果以顺时针方向规定为电流正方向。那么，电容器充电时电路中的电流如右图所示，开始电流很大，然后逐渐减小，直到电容器充满电时电流为零。
这样电容器就储存上了电荷。在这里大家要注意，我们以后所说的电容器所带电荷量是指电容器一个极板所带电荷量的绝对值。
通过电容器充电的过程，我们能够知道电容器充电是将电源的能量转化为两极板之间的电场能。
教师提问：那我们如何把电荷从电容器中取出呢？
学生回答：给电容器放电。
教师讲述：对，同学们说的很对，那怎么给电容器放电呢？其实给电容器放电就是使充电后的电容器电荷中和失去电荷的过程。我们用导线将电容器的两个极板直接连接起来，使正电荷和负电荷通过导线中和，让电容器失去电荷，这个过程就是电容器的放电。
电容器放电时的电流图像如右图所示，从图像可以看出，开始时电流也是较大，然后逐渐减小到零。但放电时电流的方向和充电时电流的方向是相反的，这一点大家要注意。
电容器放电是把两极板的电场能转化为其它形式的能。
二、电容
教师：我们学习了电容器，知道电容器能够储存电荷，那么一个给定的电容器能储存多少电荷呢？我们用一个新的物理量——电容，来表示电容器能存储电荷的多少。
引导学生分析：两极板积累异号电荷越多，其中带正电荷一极电势越高，带负电荷一极电势越低，从而电势差越大。
可类比于水容器（柱形），Q电量类比于水体积，电势差U类比于水深，U越大，Q越大，水体积与水深度比值为横截面积不变。理论上可得Q/U比值也不变，类比于横截面积，我们把这个比值称为电容。
1.定义：电容器所带电量与两极板间电势差的比值叫电容器的电容，用C表示。
2．公式： C = Q/U
Q：每一个极板带电量的绝对值。
U：电容器两极板之间的电势差——电压。
理解：电容C与Q、U无关，由电容器本身决定。
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说明：对于给定电容器，相当于给定柱形水容器，C（类比于横截面积）不变。这是量度式，不是关系式。在C一定情况下，Q=CU，Q正比于U。所以Q－U图象是一条过原点的直线（如图所示），其中Q为一个极板上所带电荷量的绝对值，U为两板间的电势差，直线的斜率表示电容大小，因而电容器的电容也可以表示为C＝∆Q/∆U，即电容的大小在数值上等于两极板间的电压增加(或减小)1 V所增加(或减小)的电荷量。
C1大于C2
三、平行板电容器
电容器中具有代表性的一种。
构成：两块平行相互绝缘金属板。可强调一下：①两极间距d；②两极正对面积S。
教师播放交互动画：《影响电容大小的有关因素》。
（插入视频《影响电容大小的有关因素》）
教师：通过实验我们得到平行板电容器电容大小的决定式是
C=εrs/4πkd
s---两极板正对面积；k---静电力常量；d---两极板的正对距离；εr---介电常数。
教师：我们知道了电容的定义式，也学习了平行板电容器的决定式，现在同学们来思考这样两个问题，然后互相讨论一下。
展示问题：（1）电容器充电后保持和电源连接，如果增大两极板之间距离d，这时，则U、Q、E如何变化?
（2）电容器充电后断开和电源连接，在这种情况下，如果增大d，则U、Q、E如何变化?
引导学生讨论，寻找那些量变化，那些量不变等。
教师总结：分析电容器动态变化问题的步骤
a.明确电容器与电源连接情况，从而确定是电压不变还是电荷量不变。
b.由C=εrs/4πkd，根据εr、S、d的变化确定C的变化。
c.由C＝Q/U确定Q或U的变化。
d.根据E＝U/d＝4πkεrsQ判断E的变化。
四、常用电容器
教师展示各种常用电容器。
教师解释电容器上铭牌（0.1F、350V）的含义：
“0.1F”为电容，表示电容器容纳电荷本领的物理量。
“350V”为额定电压，电容器长期工作所能承受的电压。
简单讲解几种常用的电容器：
聚苯乙烯电容器，在两层铝箔中间夹有聚苯乙烯薄膜，一起卷绕成圆柱体，就制成了聚苯乙烯电容器。改变铝箔的面积和聚苯乙烯薄膜的厚度，可以制成电容大小不同的电容器。
陶瓷电容器又称为瓷介电容器或独石电容器。顾名思义，瓷介电容器就是介质材料为陶瓷的电容器。根据陶瓷材料的不同，可以分为低频陶瓷电容器和高频陶瓷电容器两类。按结构形式分类，又可分为圆片状电容器、管状电容器、矩形电容器、片状电容器、穿心电容器等多种。
电解电容器的内部有储存电荷的电解质材料，分正、负极性，类似于电池，不可接反。正极为粘有氧化膜的金属基板，负极通过金属极板与电解质（固体和非固体）相连接。
特点是容量大、体积大、有极性，一般用于直流电路中作滤波、整流。目前最常用的电解电容器有铝电解电容器和钽电解电容器。
可变电容器，一般由相互绝缘的两组极片组成：固定不动的一组极片称为定片，可动的一组极片称为动片。几只可变电容器的动片可合装在同一转轴上，组成同轴可变的电容器（俗称双联、三联等）。
可变电容器是一种电容量可以在一定范围内调节的电容器，改变极片间相对的有效面积或片间距时，它的电容量就相应地变化。通常在无线电接收电路中作调谐电容器用。
超级电容器，超级电容器是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型器件。
超级电容器的出现使电容器的容量得到了巨大的提升。超级电容器的充电时间短，储存电能多，放电功率大，使用寿命长。这些优点展现了它作为新型动力电源的广阔发展前景。
典型例题
例1.下列说法中正确的是（ ）
A.电容器所带的电荷越多，电容就越大
B.电容器两极板间电压越高，电容就越大
C.电容器所带电荷增加一倍，则两极间的电压也一定增加一倍
D.电容表征电容器容纳电荷的本领的物理量
E.平行板电容器保持带电量不变而增大板距时，两板间电压要减小
F.平行板电容器一板带电＋Q，另一板带电－Q，则此电容器不带电
参考答案：CD
例2.连接在电池两极上的平行板电容器，当两极板间的距离减小时（ ）
A.电容器的电容C变大
B.电容器极板的带电量Q变大
C.电容器两极间的电势差U变大
D.电容器两极板间的电场强度E变大
参考答案：ABD
例3.在下图所示的实验装置中，平行板电容器的极板A与一个灵敏的静电计相接，极板B接地，若极板B稍向上移动一点，由观察到的指针变化做出平行板电容器电容变小的依据是（ ）
A.两极板间的电压不变，极板上的电荷量变小
B.两极板间的电压不变，极板上的电荷量变大
C.极板上电荷量几乎不变，两极板间电压变小
D.极板上电荷量几乎不变，两极板间电压变大
参考答案：D
六、课堂小结
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电介质
空气
石蜡
陶瓷
玻璃
云母
介电常数
1.0005
2.0-2.1
6
4-11
6-8
始终与电源连接
充电后与电源断开
不变量
U不变
Q不变
自变量
d
S
因变量
E＝U/d，d变大，E变小；d变小，E变大
E＝4πkεrsQ，S变大，E变小；S变小，E变大
Q＝εrs4πkdU，d变大，Q变小；d变小，Q变大
U＝4πkdεrsQ，S变大，U变小；S变小，U变大
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