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第2章第5节 科学探究:电容器
内容索引0102基础落实•必备知识全过关重难探究•能力素养全提升03学以致用•随堂检测全达标
课标要求1.知道电容器的概念,认识常见的电容器。(物理观念)2.掌握电容的定义、公式、单位,并会应用定义式进行简单的计算。(物理观念)3.知道平行板电容器的电容公式,会分析改变平行板电容器的电容大小的办法。(科学思维)4.观察电容器的充、放电现象的实验。(科学探究)
基础落实•必备知识全过关
一、观察电容器的充、放电现象1.电容器:能储存的电学元件称为电容器。2.电容器的充电、放电(1)充电:当原来不带电的电容器的两极板连接电源时,电容器充电,两极板会分别带上电荷。电容器充电后,两极板间存在电场,电荷因受静电力的作用而储存在极板上。(2)放电:当充电后的电容器两极板通过电流计接通时,电路中会形成瞬时电流而发生放电,使两极板的电荷而不再带电。电荷等量异种中和
二、电容器的电容1.电容(1)定义:极板上的Q与两极板间的U之比。(2)公式:。(3)单位:在国际单位制中,电容的单位是法拉,简称法,符号为F。1F=1C/V。除了法拉,电容的单位还有和等。1μF=F,1pF=F。(4)物理意义:表示电容器容纳电荷本领的物理量。电荷量电压微法(μF)皮法(pF)10-610-12
2.平行板电容器(1)平行板电容器的电容C与正对面积S成,与极板间的距离d成。(2)表达式:C=。(3)当两极板间充满同一种电介质(在电场作用下能产生极化的物质)时,对应的电容是真空时的εr倍,即,式中,k为,εr为这种电介质的。正比反比静电力常量相对介电常数
三、常见电容器及其应用1.电容器的分类(1)按导体极板间所用电介质的种类来分,可分为空气电容器、电容器、电容器、陶瓷电容器、电容器、电容器等。(2)按电容器的电容是否可变来分,则可分为固定电容器、可变电容器等。2.额定电压和击穿电压标称电压也称额定电压,在不高于此电压下工作是安全的。如果超过这个电压,电容器的电介质有被击穿的危险,其耐压的极限值称为击穿电压,击穿后电容器的两极板因导通而损坏。3.应用利用电容器可监测水位的变化。云母纸质涤纶电解
易错辨析判一判(1)电容器是储存电荷和电能的容器,只有带电的容器才称为电容器。()(2)其他条件不变时,平行板电容器的电容随极板正对面积的增大而增大。()(3)其他条件不变时,平行板电容器的电容随极板间距离的增大而增大。()×电容器是任何两个彼此绝缘而又相互靠近的导体组成的能够储存电荷和电能的装置,与导体是否带电无关。√×平行板电容器的电容与极板间的距离d成反比。
(4)电容器所带电荷量是指两极板所带电荷量的代数和。()(5)电容器的电容与电容器所带电荷量成正比。()×电容器所带电荷量是每个极板所带电荷量的绝对值。×电容器的电容由电容器本身决定,与所带电荷量无关。
即学即用练一练1.某一个电容器的规格是“10μF50V”,则()A.这个电容器加上50V电压时,电容才是10μFB.这个电容器的最大电容是10μF,带电荷量较少时,电容小于10μFC.这个电容器上加的电压不能低于50VD.这个电容器的电容总等于10μF答案D
2.关于电容器和电容,下列说法正确的是()A.由得,电容器所带电荷量越大,它的电容就越大B.对一固定的电容器,它所带电荷量跟它两极板间所加电压的比值保持不变C.电容器所带电荷量Q为两极板所带电荷量的总和D.对于平行板电容器,当增大两极板间的距离时,其电容变大答案B解析C与Q、U无关,A错误,B正确;电容器所带电荷量Q是每个极板所带电荷量的绝对值,C错误;平行板电容器的电容C∝,d增大时,C减小,D错误。
重难探究•能力素养全提升
探究一观察电容器的充、放电现象[情境探究]把直流电源、电阻、电容器、电流表、电压表以及单刀双掷开关组装成实验电路。(1)把开关S接1,此时电源给电容器充电。在充电过程中,电压表和电流表的示数如何变化?说明了什么问题?(2)把开关S接2,电容器对电阻R放电。在放电过程中,电压表和电流表示数如何变化?说明了什么问题?
要点提示(1)电压表示数迅速增大,随后逐渐稳定在某一数值,电流表示数逐渐减小至0,说明电容器两极板具有一定的电势差。充电完毕时电容器两极板带有一定的等量异种电荷,即使断开电源,两极板上的电荷仍然被保存在电容器中。(2)电压表示数和电流表示数都迅速减小,说明放电电流由电容器的正极板经过电阻R流向电容器的负极板,正、负电荷中和。此时两极板所带的电荷量减小,电势差减小,放电电流也减小,最后两极板电势差以及放电电流都等于0。
[知识归纳]1.电容器充、放电特点(1)充电过程是将电能储存在电容器中的过程。充电过程特点(如图乙所示)①充电电流方向为从电源的正极流出的电流的方向。②电容器所带电荷量增加。③电容器两极板间电压升高。④电容器中电场强度增大。⑤充电过程中电容器从电源获取的能量为电能。
(2)放电过程是将储存的电场能转化为其他形式能量的过程。放电过程特点(如图丁所示)①放电电流方向是从正极板流出的电流的方向。②电容器两极板上电荷量减少。③电容器两极板间电压降低。④电容器中电场强度减小。⑤放电过程中电容器的电场能转化成其他形式的能量。
2.实验步骤(1)调节直流可调电源,输出为6V,并用多用电表校准。(2)断开开关,正确连接实物图,电路图如图所示。(3)把单刀双掷开关S和触点1连通,观察电容器的充电现象,并将现象记录在表格中。(4)把单刀双掷开关S和触点2连通,观察电容器的放电现象,并将现象记录在表格中。(5)断开开关。
3.实验结论实验项目实验现象电容器充电灯泡亮度由明到暗,最后熄灭电流表1读数由大到小,最后为零电压表读数由小到大,最后等于电源电压电容器放电灯泡亮度由明到暗,最后熄灭电流表2读数由大到小,最后为零电压表读数由大到小,最后为零
[应用体验]典例1某同学利用如图甲所示的电路测量电容器充电时两极板间的电压随时间的变化。实验中使用的器材为:干电池E(两端电压恒定)、开关S1和S2,电容器C(约100μF)、电阻R1(约200kΩ)、电阻R2(1kΩ)、电压表V(量程6V)、秒表、导线若干。甲
(1)按如图甲所示的电路原理图将图乙的实物图连线。乙(2)先闭合开关S2,再断开开关S2,闭合开关S1,同时按下秒表开始计时。若某时刻电压表的示数如图丙所示,则电压表的读数为(保留两位小数)V。丙
(3)该同学每隔10s记录一次电压表的读数U,记录的数据如下表所示。在给出的坐标纸上描绘出U-t图线。若只有一个数据点误差较大,该数据点对应的表中的时间是s。时间t/s10.020.030.040.050.060.0电压U/V2.143.454.234.515.005.18(4)电路中C、R2和S2构成的回路的作用是。
答案(1)(2)3.60(3)40.0(4)使实验前电容器两极板上的电荷中和
答案A解析开关接1时,平行板电容器充电,上极板与电源正极相连而带正电,A正确,B错误;开关接2时,平行板电容器放电,放电结束后上、下极板均不带电,C、D错误。针对训练1如图所示实验中,关于平行板电容器的充、放电,下列说法正确的是()A.开关接1时,平行板电容器充电,且上极板带正电B.开关接1时,平行板电容器充电,且上极板带负电C.开关接2时,平行板电容器充电,且上极板带正电D.开关接2时,平行板电容器充电,且上极板带负电
探究二电容器的电容[情境探究]当电容器所带电荷量增加时,电容器两极板间的电势差如何变化?所带电荷量Q和板间电势差U的比值是否发生变化?要点提示增大不变
[知识归纳]1.电容由电容器本身的构造决定电容器的电容是反映电容器容纳电荷本领的物理量,用比值来定义,但电容的大小与Q、U无关。由公式得,影响平行板电容器电容大小的因素是电介质的相对介电常数εr、电容器极板的正对面积S和极板间的距离d。
2.通过Q-U图像理解电容如图所示,Q-U图像是一条过原点的直线,其中Q为一个极板上所带电荷量的绝对值,U为两个极板间的电势差,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,即电容的大小在数值上等于两个极板间的电压增大(或减小)1V所增加(或减少)的电荷量。
4.电容器电容的另一种定义式电容器在充、放电的过程中,电容器所带的电荷量发生变化,同时电容器两极板间的电压也相应变化,则。
[应用体验]典例2对电容,下列说法正确的是()A.电容器充电电荷量越多,电容增加越大B.电容器的电容跟它两极板间所加电压成反比C.电容器的电容越大,所带电荷量就越多D.对于确定的电容器,它所充的电荷量跟它两极板间所加电压的比值保持不变答案D解析电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量,一旦电容器确定了,电容C便不再变化。是定义式,不是决定式,无论所带电荷量Q和电压U如何变化,其比值始终不变。
规律方法为比值定义法。C的大小与Q、U无关,只跟电容器本身有关,当Q=0时,U=0,而C并不为零。
针对训练2(多选)下列关于电容的说法正确的是()A.电容是反映电容器容纳电荷本领的物理量B.电容器A的电容比电容器B的大,说明电容器A所带的电荷量比电容器B多C.电容在数值上等于使两极板间的电势差为1V时电容器需要带的电荷量D.由公式得,若电容器两极板间电压为10V,极板所带电荷量为2×10-5C,则电容器电容大小为5×105F
答案AC解析电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量,A正确;电容器A的电容比电容器B的大,只能说明电容器A容纳电荷的本领比电容器B强,与所带电荷量多少无关,B错误;根据电容的定义式可知C正确;电压为10V,所带电荷量为2×10-5C时,电容=2×10-6F,D错误。
探究三平行板电容器的动态分析[情境探究]若电容器两极板间的电压不变,两极板间的距离减小,电容怎么变化?电容器所带电荷量怎么变化?若电容器所带电荷量不变,两极板间的距离减小,两极板间的电压怎么变化?要点提示C变大,Q变大;C变大,U变小。
[知识归纳]电容器的动态分析(1)两类情况:①平行板电容器两极板始终与电源两极相连(此时板间电压U保持不变);②电容器充电后与电源断开(此时电荷量Q保持不变)。
(2)分析思路:
要点笔记分析方法:抓住不变量,分析变化量。
[应用体验]典例3(多选)如图所示,电路中A、B为两块竖直放置的金属板,C是一只静电计,合上开关S后,静电计指针张开一个角度,下述做法可使静电计指针张角增大的是()A.使A、B两板靠近一些B.使A、B两板正对面积减小一些C.断开开关S后,使B板向右平移一些D.断开开关S后,使A、B两板正对面积减小一些
答案CD解析静电计显示的是A、B两板间的电压,指针张角越大,表示两板间的电压越高。当合上开关S后,A、B两板与电源两极相连,板间电压等于电源电压不变,静电计指针张角不变;当断开开关S后,板间距离增大,正对面积减小,都将使A、B两板间的电容变小,而电容器所带电荷量不变,由得,板间电压U增大,从而静电计指针张角增大,所以C、D正确。
规律方法电容器动态分析的理论依据
学以致用•随堂检测全达标
1.某电容器上标有“25μF450V”字样,下列对该电容器的说法正确的是()A.要使该电容器两极板之间电压增加1V,所需电荷量为2.5×10-5CB.要使该电容器所带电荷量为1C,两极板之间需加电压2.5×10-5VC.该电容器能够容纳的电荷量最多为2.5×10-5CD.该电容器能够承受的最大电压为450V
答案A
2.(多选)连接在电源两极上的平行板电容器,当两极板间距离减小时()A.电容器的电容C变大B.电容器极板所带电荷量变大C.电容器两极板间的电势差U变大D.电容器两极板间的电场强度E变大答案ABD
3.(多选)如图所示是电容器充、放电电路。配合电流传感器,可以捕捉瞬间的电流变化,并通过计算机画出电流随时间变化的图像,电容器选用电解电容器。先使单刀双掷开关S与1端相连,电源向电容器充电,这个过程可瞬间完成。然后把单刀双掷开关S掷向2端,电容器通过电阻R放电,传感器将电流传入计算机,图像上显示出放电电流随时间变化的I-t曲线。下列说法正确的是(已知电流)()A.电解电容器用氧化膜做电介质,由于氧化膜很薄,所以电容较小B.随着放电过程的进行,该电容器两极板间电压逐渐减小C.由传感器所记录的该放电电流图像可以估算出该过程中电容器的放电电荷量D.通过本实验可以估算出该电容器的电容值
答案BCD
本课结束
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