第二屆東芝杯 華中師范大學(xué)物理學(xué)院李程遠(yuǎn)

1、電容器的電容教案華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李程遠(yuǎn)教材分析選自人教版全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書(shū)（必修加選修）物理第二冊(cè)第十三章電場(chǎng)第八節(jié)電容器的電容。電容器的電容出現(xiàn)在電學(xué)第一章的最后一節(jié)，一方面，這是學(xué)生掌握電學(xué)最基本知識(shí)之后的第一次分析電學(xué)元件，本節(jié)授課中，需要學(xué)生知道電勢(shì)差的概念，能在分析電勢(shì)差的基礎(chǔ)上弄清楚電容器儲(chǔ)電的基本原理，另一方面，此課的知識(shí)在第十七章交變電流和第十八章電磁場(chǎng)和電磁波中占有極其重要的地位，可以說(shuō)，沒(méi)有本節(jié)的專(zhuān)門(mén)學(xué)習(xí)，交變電流的學(xué)習(xí)將不完整，而電磁振蕩的相關(guān)學(xué)習(xí)則完全無(wú)法展開(kāi)。由此可見(jiàn)，電容器的電容一節(jié)的學(xué)習(xí)有著重要的承前啟后的作用，只有學(xué)生掌握了本節(jié)課的核心知識(shí)

2、，才有可能將整個(gè)高中階段電磁學(xué)的學(xué)習(xí)推向一個(gè)新的高度。設(shè)計(jì)思路電容器在日常電器中隨處存在，但又不為人們所熟悉，這主要是因?yàn)槠渲饕Y(jié)構(gòu)往往被密封。因此，要讓學(xué)生理解和掌握它的結(jié)構(gòu)，就需要將內(nèi)部結(jié)構(gòu)直觀地展示給學(xué)生。將拆開(kāi)的電容器中具有典型結(jié)構(gòu)的部分展示給學(xué)生，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)各種電容器的共同內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并設(shè)想這樣的結(jié)構(gòu)是否正是實(shí)現(xiàn)電容器儲(chǔ)電的原因，從而加以實(shí)驗(yàn)證明。同時(shí)，這種觀察、設(shè)問(wèn)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的過(guò)程正是從生活中探究真理的科學(xué)方法。而進(jìn)一步對(duì)電容器的充放電探究則蘊(yùn)含著“知其然知其所以然”的精神，因此，嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致地分析整個(gè)過(guò)程，不僅對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)新的知識(shí)將有提高，還將進(jìn)一步鞏固學(xué)生的已學(xué)知識(shí)。在引入電容這

3、一新的概念的教學(xué)上，學(xué)生很容易先入為主的認(rèn)為儲(chǔ)電量大的電容器儲(chǔ)電本領(lǐng)也就大，此時(shí)就需要好的類(lèi)比方式帶領(lǐng)學(xué)生走出誤區(qū)。利用列表的方式，將水容器的底面積和電容器的電容作類(lèi)比，逐個(gè)進(jìn)行比較，才能條分縷析地為學(xué)生解釋清楚電容器電容的比值定義。同時(shí)，要趁熱打鐵繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生回憶曾掌握的比值定義的物理量，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理學(xué)比值定義法的理解。平行板電容器的演示實(shí)驗(yàn)牽涉到多個(gè)變量之間的關(guān)系，包含著重要的實(shí)驗(yàn)方法控制變量法。因此，嚴(yán)格控制每一個(gè)變量，尋找剩余變量間相關(guān)關(guān)系是實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)，同時(shí)也是教師需要細(xì)致講解的部分。教學(xué)目標(biāo)一、 知識(shí)目標(biāo)1、 知道電容器的基本結(jié)構(gòu)和幾種常見(jiàn)電容器；2、 知道電場(chǎng)能的概念，能分析電容器

4、充放電時(shí)能量的變化；3、 理解電容的定義式和電容的單位，并能進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算；4、 知道平行板電容器電容的相關(guān)因素，了解其關(guān)系式；二、 能力目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生在日常生活中觀察分析事物、探究原理的能力；三、 情感目標(biāo) 培養(yǎng)學(xué)生從生活中觀察科學(xué)的主動(dòng)探索精神，從實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證科學(xué)的實(shí)事求是的態(tài)度；教學(xué)重點(diǎn)1、 電容器與電容的概念建立；2、 平行板電容器的電容；教學(xué)難點(diǎn)1、 電容器作為儲(chǔ)電容器的抽象性理解；2、 平行板電容器的電容的相關(guān)因素的實(shí)驗(yàn)探究；教學(xué)方法類(lèi)比教學(xué)法、實(shí)驗(yàn)探究法。教學(xué)用具已拆卸電容器及原件、自制電容器示教板、帶插頭的電容器（可直接用220V充電）、放電針、多媒體設(shè)備、靜電計(jì)、手搖感應(yīng)起電機(jī)、

5、平行板電容器、鐵架臺(tái)、電介質(zhì)板。教學(xué)過(guò)程一、電容器概念的引入和電容器的基本結(jié)構(gòu)探究7分鐘生活中有各式各樣的水容器（展示圖片），他們形狀大小各異，但都可以儲(chǔ)存水。今天我們來(lái)學(xué)習(xí)一種新的容器，叫做電容器，顧名思義，就是儲(chǔ)存電荷的容器。這種叫做電容器的東西在日常家用電器中是很常見(jiàn)的（給學(xué)生展示實(shí)物電容器：各種規(guī)格結(jié)構(gòu)大小的均有）【引導(dǎo)思考】：電容器的結(jié)構(gòu)這些都是生活中的電容器，他們看起來(lái)都很不一樣，它們會(huì)不會(huì)有共同的基本結(jié)構(gòu)呢？活動(dòng)：展示部分規(guī)格較大的已拆卸電容器給學(xué)生觀察；同時(shí)用多媒體投放出其它電容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，抽象出基本結(jié)構(gòu)的符號(hào)；演示：將拆好的電容器圖片用PPT展示，將電容器的基本結(jié)構(gòu)抽象出

6、來(lái)；電容器的基本結(jié)構(gòu)是：兩導(dǎo)體極板和其中的絕緣介質(zhì)；設(shè)問(wèn)：這是不是就可以說(shuō)明正是這種結(jié)構(gòu)使得電容器可以儲(chǔ)存電呢？（自我否定，引出實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)）要肯定任何一個(gè)猜想，我們要用實(shí)驗(yàn)來(lái)證明。演示：利用插座式電容器放電現(xiàn)象驗(yàn)證電容器的二極板結(jié)構(gòu)是否真能儲(chǔ)存電荷；演示：將紙介電容器和相關(guān)組件自制成簡(jiǎn)易示教板，探究電容器的二極板結(jié)構(gòu)是否真能儲(chǔ)存電；說(shuō)明：實(shí)驗(yàn)前必須確保電容器沒(méi)有事先帶電?！究偨Y(jié)實(shí)驗(yàn)】【得出結(jié)論】：無(wú)論從觀察現(xiàn)象還是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，都證明了我們關(guān)于電容器儲(chǔ)電結(jié)構(gòu)的猜想，那么，這種結(jié)構(gòu)是怎么儲(chǔ)存電荷的呢？二、電容器儲(chǔ)電的原理和充放電能量轉(zhuǎn)化8分鐘要解決這個(gè)問(wèn)題就要知道電容器的充放電原理，我們將剛才的實(shí)驗(yàn)回

7、路抽象出來(lái)具體分析?！狙堇[分析】演示：結(jié)合自制的簡(jiǎn)易示教板，利用PPT演示實(shí)驗(yàn)的充放電過(guò)程1、S接a時(shí)，電流表指針發(fā)生短暫偏轉(zhuǎn)，同時(shí)電容器極板分別出現(xiàn)正負(fù)電荷符號(hào)，并同時(shí)在極板間的電介質(zhì)空間顯示出抽象的電場(chǎng)線，最終建立平衡；（結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析）此時(shí)的過(guò)程正是剛才我們看到的那樣，原本不帶電的電容器在和電源作用后成功的儲(chǔ)存了電荷。電容器從不帶電到最終儲(chǔ)存電荷的過(guò)程叫做電容器的充電；2、S接b時(shí)，電流表指針逆向偏轉(zhuǎn)，同時(shí)電容器兩極板的正負(fù)電荷符號(hào)迅速消失，極板間電介質(zhì)的電場(chǎng)線也隨之消失，最終恢復(fù)成原來(lái)不帶電的情況。（結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析）一個(gè)充好電的電容器，在用通路將兩極板連接起來(lái)時(shí)，電容器兩極板的電荷將形成短

8、暫電流以相互中和，最終不再帶電，這個(gè)過(guò)程我們成為電容器的放電；【分析充放電成因】切換到相應(yīng)圖片1現(xiàn)在假設(shè)電容有左右兩極板板，左邊極板與正極相連，右邊極板與負(fù)極相連，此時(shí)，兩極板間就要形成電勢(shì)差，而且和電源兩極電勢(shì)差相等，所以上極板帶正電，下極板帶負(fù)電，這樣兩極間才能形成電勢(shì)差。此時(shí)，電子就要移動(dòng)，所以左邊極板的電子沿導(dǎo)線，經(jīng)電源正極-負(fù)極移動(dòng)到右邊極板，使得兩極板帶上異種電荷。隨著電子的移動(dòng)，兩極板所帶電荷越來(lái)越多，電壓也就越來(lái)越大，直到和電源電勢(shì)差相等，就充滿電了。 2充好電的電容器用導(dǎo)線或其它通路連接起來(lái)，由于兩極板帶電極性不同，右邊極板的電子會(huì)迅速沿著導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)到左邊極板與之中和，這就形成

9、了放電時(shí)的定向電流，直至兩極板間電荷完全互相中和，此時(shí)放電就完畢了，電容器也成為了不帶電的兩極板結(jié)構(gòu)。由于放電后兩極板不再帶電，說(shuō)明原帶電的兩極板電荷異性等量，我們把一個(gè)極板所帶電荷量的絕對(duì)值叫電容器的所帶電荷量Q。 充 電放 電引出新問(wèn)題：既然有電流做功，就有能量轉(zhuǎn)化，電容器將電流做功轉(zhuǎn)化的能量?jī)?chǔ)存在什么地方呢？水總是儲(chǔ)存在水容器的空間中，電容器也沒(méi)有把能量?jī)?chǔ)存在極板上，而是儲(chǔ)存在兩極板間電介質(zhì)空間的電場(chǎng)里。這種電場(chǎng)具有的能量，稱為電場(chǎng)能。（進(jìn)一步分析充放電時(shí)能量的轉(zhuǎn)化）充電：電源能量電場(chǎng)能；放電：電場(chǎng)能其它形式能；（它們都是通過(guò)電流做功實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的）（作出階段小結(jié)）這樣，我們才算明白了電

10、容器儲(chǔ)存電的基本原理；四、 電容概念的引入6分鐘承上引出新話題：知道了它儲(chǔ)電原理是不是夠了呢？（否定）我們還要知道怎樣定義它們儲(chǔ)存電的本領(lǐng)，接下來(lái)我們要繼續(xù)學(xué)習(xí)電容器的電容描述電容器儲(chǔ)電本領(lǐng)的物理量。【模擬】水容器的大小形狀一旦確定，它的儲(chǔ)水本領(lǐng)就完全確定水容器的儲(chǔ)水本領(lǐng)是由自身結(jié)構(gòu)確定的。同樣，電容器的儲(chǔ)電本領(lǐng)本質(zhì)上來(lái)說(shuō)也是又它的結(jié)構(gòu)確定的。（解釋電容器大小形狀各不相同的原因，正是為了制造不同容量的電容器）如何嚴(yán)格定義一個(gè)電容器的儲(chǔ)電本領(lǐng)？【表格類(lèi)比】水容器隨著儲(chǔ)水量發(fā)生變化，他的儲(chǔ)水深度也相應(yīng)發(fā)生變化電容器隨著帶電量的增加，兩極板間電勢(shì)差也相應(yīng)發(fā)生變化；儲(chǔ)存同樣多水的兩個(gè)水容器，儲(chǔ)水本領(lǐng)未

11、必相同；儲(chǔ)存同樣電量的兩個(gè)電容器，儲(chǔ)電本領(lǐng)未必相同；儲(chǔ)存同樣深水的兩個(gè)水容器，儲(chǔ)水本領(lǐng)也未必相同；兩極板電勢(shì)差相同的兩電容器，儲(chǔ)電本領(lǐng)也未必相同；底面積大的水容器往往可以儲(chǔ)存更多的水，底面積是通過(guò)儲(chǔ)水量和深度的比值定義的；是不是可以類(lèi)似底面積一樣，通過(guò)二者比值定義一個(gè)新的物理量？定義：電容器所帶的電荷量Q與電容器兩極板間的電勢(shì)差U的比值，叫做電容器的電容。(強(qiáng)調(diào)：比值定義法是物理學(xué)中非常常見(jiàn)的)公式： 單位：法拉(F)；微法(F)；皮法(pF) 1F=1C/V1F=106F=1012Pf五、 平行板電容器的電容12分鐘介紹靜電計(jì)：靜電計(jì)是在驗(yàn)電器的基礎(chǔ)上制成的，用來(lái)測(cè)量電勢(shì)差使用時(shí)把它的金屬球

12、跟一個(gè)導(dǎo)體相連(或者同時(shí)接地)，從指標(biāo)的偏轉(zhuǎn)角度就可以測(cè)出兩個(gè)導(dǎo)體問(wèn)的電勢(shì)差?！緦?shí)驗(yàn)探究】：探究影響平行板電容器電容的因素；把一已充電的平行板電容器和一靜電計(jì)相連1、保持極板上的電荷量Q不變，改變兩極板的正對(duì)面積S，S越大，靜電計(jì)指示的電勢(shì)差越小。 2、保持極板上的電荷量Q不變，改變兩極板間的距離d,d越小,靜電計(jì)指示的電勢(shì)差越小。 3、保持Q、S、d都不變，在兩極板中間插入電介質(zhì)，靜電計(jì)指示的電勢(shì)差減小。理論和實(shí)驗(yàn)表明： 平行板電容器的電容C跟介電常量成正比，跟正對(duì)面積S成正比，跟極板間的距離d成反比，即【討論】實(shí)驗(yàn)中重要的控制變量法(1) 充電后保持極板與電源相連接的含義是控制U不變。由(

13、2)充電后切斷與電源的連接的含義是控制電容器的電荷量Q不變。又由不變控制變量法是實(shí)驗(yàn)中常用的方法，通過(guò)控制變量法，可以使我們方便的找到某個(gè)物理量和其它物理量的相關(guān)的關(guān)系。六、 常用電容器的認(rèn)知3分鐘【討論和互動(dòng)】閱讀課本中常用電容器，了解其結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，以及對(duì)應(yīng)的專(zhuān)用符號(hào)；再次展示引課時(shí)給學(xué)生看過(guò)的電容器的圖片，引導(dǎo)學(xué)生辨認(rèn)這些電容器各屬于哪一類(lèi)，設(shè)計(jì)符號(hào)和圖片的聯(lián)機(jī)游戲。介紹電容器組件的相關(guān)概念擊穿電壓：加在電容器兩極板上的最大限度電壓，電容工作時(shí)的電壓應(yīng)低于擊穿電壓；額定電壓：電容器長(zhǎng)期工作時(shí)所能承受的電壓，比擊穿電壓低；（電容器上標(biāo)的是額定電壓）七、課堂總結(jié)4分鐘本課中蘊(yùn)含的科學(xué)方法的總結(jié)

14、：本節(jié)課，我們從探究電容器的結(jié)構(gòu)出發(fā)，發(fā)現(xiàn)不論哪種電容器，都有某個(gè)相同的結(jié)構(gòu)。因此，我們猜想這種結(jié)構(gòu)是否包含著電容器儲(chǔ)存電的原因，接著，我們進(jìn)一步用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了我們的想法，而且還更進(jìn)一步從理論上分析了我們猜想的正確性。這種從生活中觀察、猜想、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)而理論分析的方法正是科學(xué)的一種重要探究方法，同學(xué)們要好好體會(huì)！而通過(guò)與水容器的類(lèi)比，我們更進(jìn)一步學(xué)會(huì)了怎么定義電容器的電容，這告訴我們，當(dāng)我們遇到某種不熟悉的事物時(shí)，我們可以利用我們常見(jiàn)的熟悉事物進(jìn)行類(lèi)比，從他們之間的相似點(diǎn)找到新的突破！而平行板電容器的實(shí)驗(yàn)方法告訴我們，當(dāng)我們研究某一個(gè)事物包含多個(gè)不同因素的影響時(shí)，我們往往需要使用控制其它變量而只研究某兩個(gè)變量之間的關(guān)系，這樣的控制變量法將使得我們的實(shí)驗(yàn)探究變得簡(jiǎn)便而有條理，同學(xué)們一定要掌握這種方法。八、作業(yè)鞏固課后完成1根據(jù)電容器的電容的定義式C=Q/U可知( D ) A電容器帶電的