基于核心素养的教学设计——电容器电容

基于核心素养的教学设计——电容器电容刘迪超（浙江省杭州第十一中学杭州310014）一、教学目标素养类别教学目标物理观念认识常见的电容器，知道电容器的结构和功能。通过实验感知电容器的充、放电现象。知道电容器充电过后两个极板的电量等量异号，两极板存在电压且电荷量与极板电压成正比。科学思维理解电容的概念及定义方法，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。能够控制变量，结合图像分析电荷量与极板电压这一对物理量之间的关系。科学探究能够设计对电荷量，电压两个变量的控制方案，作出二者的关系图线。通过机械电压表测定电容器极板电压，发现测量弊端并寻找修正方案。动手操作用不带电的电容器平分同样但带电的另一个电容器的电荷，用数字电压表测量极板电压。通过“理想实验”的方法发现不同的电容器，电荷量与电压的比值不同。科学态度与责任能够加深意识：事物是有规律的，人是可以认识规律的。能够认识到，电容器的电容是由电容器本身的属性决定的，与极板带电量和电压无关。用学过的物理术语，图表交流科学探究的结果。二、教学内容与学生分析电容器是一种重要的电学元件，有着广泛的应用。学生已经学习了研究电容器需要涉及的电势差，电场强度，电荷量等物理量，会使用数字多用电表，所以，本节教学的核心是应用静电场的有关知识研究电容器。着重培养学生应用所学知识解决新问题的能力。本节教学内容定位为提升学生科学探究核心素养的课堂案例。三、教学思路任务1：识别电容器，了解其结构和功能任务2：探究电容器所带的电荷量Q与电容器两极板间电势差U的关系任务3：建立电容概念任务4：理解电容的定义方法，单位，进行简单的计算四、教学活动任务1：识别电容器，了解其结构和功能演示实验：①如图1所示，展示一块计算机电路板，放大中间的电容器部分。②如图2所示，拆开一个电容器，投影放大。③如图3所示，用碱性电池组给电容器充电，然后用充电的电容器给灯泡供电。图1图2图3图4任务与问题问题指向的素养目标1.请说说该电学器件的核心功能。识别电容器，知道其结构与功能。感知电容器的充放电过程2.请说出该电学器件的两个工作过程及过程的本质。3.根据观察，了解电容器的组成结构。教学建议：（1）思维引导建议：将电容器与水桶类比，一个用来储存水，如果一个叫水容器，那么储存电荷的器件可以取名电容器。结合图4简要介绍电容器的发展来历。（2）教学活动建议：电容器在各种电子仪器中都有广泛的应用，但是学生对电容器并不熟悉，因为他们很少打开电器观察其中的元件。教学中可以先进行实物展示。接着拆开电容器，让学生了解电容器的两块极板和极板间的介质，介绍时要突出主要构件——极板和介质。结合实验2，给出电容器的电路符号。（3）任务过渡建议：简单的极板加介质结构可以实现储电的功能，那储电的多少与哪些因素有关呢？任务2：探究电容器所带的电荷量Q与电容器两极板间电势差U的关系问题情景：如图5，用同一个电池给不同的电容器充电。如图6，用不同的电压给同一个电容器充电。如图7，将一个充电电容器与另一个构造完全一样但不带电的电容器对接。如图8，用机械电压表测定带电电容器两极板间的电压。图5图6图7图8任务与问题问题指向的素养目标1.比较情景5、6，推测电容器极板所带电量与哪些物理量有关？具有问题意识；提出可探究的物理问题；能在他人帮助下制订科学探究方案，使用基本的器材获得数据；用学过的物理术语，图表交流科学探究的结果2.演示用机械电压表直接测量极板间的电压（图8）？请指出不足之处，该如何改进？3.电容器携带的电荷量能否直接测定？讨论如何操作实现电荷量改变？4.在坐标纸上选取合适标度描出Q-U关系图像，说明Q与U的关系。图1图2教学建议：（1）思维引导建议：学生推测电容器极板所带电荷量可能与电压、电势差，电势能，电场强度，电容器的极板面积，板间距，质量有关，可以引导学生说极板面积，板间距属于几何量，而且对于特定构造的电容器，这些量不再是变量。电势差和电压是同一物理量。电场强度和电势能均可以用独立变量电压来关联，即U=Ed，Ep=Uq。机械电压表测量带电电容器两极板间电压会因放电而导致电压表读数逐步减为零，解决这一问题的最好办法是用高阻抗的电压表延缓放电，数字电压表具有高阻抗，便捷读数。电容器的电荷量没有办法直接测定，引导学生从“探究功与速度变化的关系”实验（图9）中寻找灵感，“倍增实现橡皮筋做功数值的改变”。库仑将一个带电小球与完全一样不带电的小球接触（图10），电荷平分实现电量可控改变。类比连通器原理，将抽象问题形象化。图9图10（2）教学活动建议:问题1是开放问题，学生讨论过后自由回答，教师引导回归到独立变量U的研究。问题2以演示实验的情景出现，直观。问题3需要老师引导，辅助图片提示说明。（3）学生实验活动：学生实验活动做一做如图（a），电源对电容器充电，记录下此时的带电量Q，用数字多用电表测量此时极板间的电压。如图（b），用完全相同的另一个电容器B与A并联，两电容器各分得一半电量。如图（c），测出电容器A的极板电压，并将电容器B短接放电。重复（b）（c），得到电荷量分别带电为Q/4、Q/8、Q/16时电容器两极板对应的电压，作Q-U关系图，得到它们之间的关系。（a）（b）（c）（d）（e）测一测电压电荷量Q0Q0/2Q0/4Q0/8Q0/16Q0/32描一描电荷量与极板电压的关系：任务3：建立电容概念问题情景：展示多个电容器问题问题指向的素养目标1.如何计算Q与U成正比关系的比例常数？能在熟悉的问题情景中根据需要选用恰当的模型解决简单的物理问题。2.该比例常数与Q和U有关吗？3.不同的电容器比例常数一样吗？教学建议：（1）思维引导建议：不同的电容器，比例常数不一样。本案例没有办法实现在电荷量Q一样时，两极的极板电压不一样。可以采用“理想实验法”，将带电电容器的极板切分1/3，或者1/4，依据电荷均匀分布原则，切分的电容器为新的电容器，在同等电压的前提下，电荷量为初始值的1/3，或者1/4。依据Q与U的正比关系，做一条过原点的直线，可以说明不同的电容器，比值不一样，就用这个比值定义为电容，由电容器本身的属性决定。（2）教学活动建议：在教师的引导下，学生思考过后口头回答，难度较小。任务4：理解电容的定义方法，单位，进行简单的计算问题情景：问题问题指向的素养目标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)电容器所带电荷增加一倍，则两极间的电压也一定增加一倍c)电容器A的电容大于电容器B的电容，则A所带的电荷量一定大于B所带的电荷量d)电容器一板带电＋Q，另一板带电－Q，则此电容器不带电具有清晰的物理概念，能从物理学的视角描述，解释物理现象。能应用物理知识解决实际问题，能指导工作和生活实践。1.对于给定的电容器，在描述电容量C、带电量Q、两板间电势差U的相互关系中，下列图中中正确的是()2.电容为5.0×103pF电容器，当极板带电荷量为6.0×10–7C时。求:（1）电容器的电压;（2）若电压或电荷量发生变化，这个电容器的电容有无变化？3.图示电容器的包装信息有哪些？充满电带多少电荷量？五、教学设计点评关于电容器的定义，课本上直接给出了结论：“实验表明，一个电容器所带的电荷量Q与电容器两极间的电势差U成正比，比值是一个常量。”并没有说明这个结论是通过什么样的实验得出的，此处实验设计，最大的困难就在于电容器所带电量的测定。本设计的实验方案没有试图去定量精确地测定电量，而是通过引导学生对物理学史上库仑二分法的回忆和迁移，用电荷均分，几何倍减的方法得到电量间的关系，实验结论得到的整个过程都在学生认知理解范围内。在此过程中运用物理学史上实验设计的方法引导学生创造性的设计新实验，解决新问题，培养了学生的认识方法的迁移能力和创造性思维。学生从情境中发现和提炼问题，对问题的可能答案作出假设，并根据问题情境运用已有知识制定探究计划，选择符合情境要求的实验装置进行实验，获取客观，真实的实验数据，通过对数据的分析形成物理规律的结论。学生在活动中能真切感受到科学探究过程，体会通过科学探究描述和解释物理现象的乐趣，提升对科学本质的认识，提高科学探究能力。