2019-2020学年高中物理 第1章 静电场 8 电容器的电容课件 新人教版选修3-1

1．8电容器的电容学习目标学习重点考查热度知道电容器的概念和平行板电容器的构造★★★理解电容的定义式、决定式并能用它来解决相关问题★★★★★基础梳理一、电容器1．电容器：两个相互靠近但又彼此绝缘的导体就组成一个电容器．物理上常用两个平行的金属板中间上一层绝缘物质——电介质(空气也是电介质)，组成平行板电容器．2．电容器的作用：储存电荷，同时也储存能量．电容器带电时，两个极板带等量异种电荷．3．电容器充电：把电容器两极与电源两极相连，与电源正极相连的金属极板上的一部分自由电子流向电源，从而该极板带正电(正极板)；与电源负极相连的金属极板从电源负极得电子带负电(负极板)．整体上来看，充电过程中电源把电子从电容器正极板移到负极板，这个过程中要克服电场力做功，所以电容器中就会储存电场能，放电时储存的电场能会再释放出来，如图所示．充电过程特征：电流减小，电荷增加，电压增大，电场能增加，电场增强．电流方向：充电时电流由电源正极经电容器(实际上没有电荷从电容器正极板流向负极板)流回电源负极．4．电容器放电：电容器负极极板的电子经外电路流向电容器正极板，但无论充电还是放电，没有电子通过电容器极板间的电介质．放电过程电子从负极板流向正极板，电场力做正功，电场能转化为其他能．放电过程特征：电流减小，电荷减少，电压减小，电场能减少，电场减弱．电流方向：放电时电流从电容器带正电极板经外电路流向带负电极板(与电子定向运动方向相反)．二、电容器的电容1．电容器的电容：电容器的带电量与两极间电压(电势差)的比值叫电容器的电容(量)．2．定义式：C＝QU，单位：法拉(符号F)、微法(符号μF)、皮法(符号pF)1F＝106μF＝1012pF.3．推论方程：由Q1＝CU1，Q2＝CU2，得C＝ΔQΔU.三、平行板电容器平行板电容器电容的决定式：C＝εrS4πkd(εr：电介质的相对介电常数；S：正对极板面积；d：两极板间距)．四、常见电容器1．电容器分类(1)固定电容器：容量不变的电容器常见的有聚苯乙烯电容器与电解电容器，电解电容器的容量一般较大(μF或mF数量级)．电解电容器有正极和负极，使用中正极电势要高于负极电势．(2)可变电容器：容量可以改变的电容器，由一组固定和一组可动的金属片组成，一般容量较小(pF数量级)．(3)法拉电容：常见电容器的容量都不到一法拉．但法拉电容容量可以达到法拉级别，但充、放电要比一般电容器慢得多．一般用作电子设备(如手机)时钟后备电源供电．2．电容器规格电容器外壳上除标明容量外，还标识有电压，这个电压是正常工作的最高电压，也叫额定电压，如图．电容器电压高到一定程度，电容器中间的介质就会由绝缘体变为导体，俗称击穿，击穿后电容器会损坏，这个电压叫击穿电压，额定电压低于击穿电压．规律方法考点鸟瞰高考热度考点一：电容器定义式与决定式的区别联系★★★考点二：实验：探究影响平行板电容器电容的因素★★★考点三：平行板电容器动态分析类问题．★★★★考点四：平行板电容器中的力学问题★★★★考点五：结合电容变化规律判断电势差与电势变化★★★★考点六：电容应用与传感器．★★★★考点一电容器定义式与决定式的区别联系1．对电容的定义式C＝QU、Q＝CU、C＝ΔQΔU的理解(1)电容器的带电量：电容器的两极板带电量总是相等的，所以单个极板带电量Q就可以表示电容器所带电量的多少，我们把单个极板带电量叫电容器的带电(荷)量．(2)电容器的电容越大，表示在相同电压所带电荷量越多，说明电容储存电荷的能力越强．(3)电容与电容器结构有关，与所带电荷量和电压无关．2．对平行板电容器电容的决定式C＝εrS4πkd的理解平行板电容器的电容C与εr、S成正比，与d成反比．3．在这里抓住一点对于电容器，电容C可以由QU或ΔQΔU来度量，但平行板电容器的电容C的值却是由εr、S、d决定的，与Q和U无关．(多选)关于电容的叙述正确的是()A．电容器充电时把电能转化为化学能，放电时把化学能转化为电能B．任何两个彼此绝缘而又相互靠近的导体就组成一个电容器，电容与电容器是否带电无关C．电容器带电量增加时电容增大D．电容器充电时电子流出正极板，流入负极板，放电时电子流出负极板，流入正极板【解析】电容器内储存的不是化学能，而是电场能．故A项错误．电容由电容器自身结构决定，与是否带电无关，故B项正确，C项错误．电容器充电过程是把电子从正极板转移到负极板的过程，放电则相反，故D项正确．【答案】BD(多选)下列关于C＝QU和C＝εrS4πkd的说法正确的是()A．电容器简称电容B．由C＝QU可知电容器所带电荷越多，电容越大C．由C＝εrS4πkd可知电容C的值是由εr、S、d决定的D．由Q＝CU可知电容器带电量Q与U成正比，电压越高，带电量越大【解析】电容是指电容器的电容量，故A项错误．电容C与Q无关，故B项错误，C项正确．对于固定电容器C是常数，电压越高，带电量越大，故D项正确．【答案】CD如图所示，四个图象描述了对给定的电容器充电时，电容器电量Q、电压U和电容C三者的关系，正确的图象有()A．①②B．①③C．②③D．③④【解析】电容器电容的大小是由其本身因素决定的，与电压U及电量Q无关，故①、②错，④对；由公式Q＝CU可知，电量Q与电压U成正比，故③对，正确答案为D项．【答案】D概念理解公式内容C＝QUC＝εrS4πkd公式类别定义式决定式适用范围任何电容器平行板电容器意义对一个固定电容器C是不变的，Q与U成正比，C反映容纳电荷本领对于平行板电容器，电容C与εr、S成正比，与d成反比联系对于电容器，电容C可以由QU来度量，但平行板电容器的电容C的值却是由εr、S、d决定的，与Q和U无关考点二实验：探究影响平行板电容器电容的因素1．实验目的：探究影响平行板电容器电容的因素．2．实验方法：控制变量法．3．实验仪器：电容器、静电计．4．实验过程(1)保持极板上的电荷量Q不变，两极板间的距离d也不变，改变两极板的正对面积S，通过静电计指针的变化得知两极板间电势差的变化．根据C＝QU，由电势差的变化判断电容的变化，从而得知电容C与正对面积S的关系．如图1所示．(2)保持极板上的电荷量Q不变，两极板的正对面积S也不变，改变两极板间的距离d，通过静电计指针的变化得知两极板间电势差的变化．根据C＝QU，由电势差的变化判断电容的变化，从而得知电容C与两极板间的距离d的关系．如图2所示．(3)保持Q、S、d都不变，在两极板间插入电介质，例如有机玻璃板，通过静电计指针的变化得知两极板间电势差的变化．根据C＝QU，由电势差的变化判断电容的变化，从而得知两极板间电介质的存在对电容C的影响．如图所示．5．实验结论：平行板电容器的电容C与极板的正对面积S、极板间是否插入电介质以及极板间距离d均有关系．用控制变量法，可以研究影响平行板电容器电容的因素(如图所示)．设两极板正对面积为S，极板间的距离为d，静电计指针偏角为θ，实验中极板所带电荷量不变，若()A．保持S不变，增大d，则θ变大B．保持S不变，增大d，则θ变小C．保持d不变，减小S，则θ变小D．保持d不变，减小S，则θ不变【解析】静电计指针偏角大小体现了电容器两板间电压大小．在做选项所示的操作中，电容器所带电荷量Q保持不变，C＝QU＝εrS4πkd，保持S不变，增大d，则C减小，U增大，偏角θ增大，A项正确，B项错误；保持d不变，减小S，则C减小，U增大，偏角θ也增大，故C、D两项均错误．故A项正确．【答案】A概念理解验电器与静电计的区别验电器静电计图示结构玻璃瓶内有两片金属箔，用金属丝挂在一根导体棒的下端，棒的上端通过瓶塞从瓶口伸出验电器中的金属箔换成指针，并用金属做外壳作用判断物体是否带电以及所带电荷的种类和相对数量粗略测量两导体间电势差的大小工作原理静电计是通过改造验电器得来的，两者原理相同，都是根据同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引来工作的考点三平行板电容器动态分析类问题电容器的εr、S、d发生变化会导致C发生变化，而C的变化又会影响到Q、U和极板间电场强度E，在这里找对“自变量”与“因变量”很关键．(1)电容器一直与恒压电源连通，此时电容器的电压U保持不变．(2)电容器充电完成后即断开电路，此时电容器的带电荷量Q不变．如图先接通开关S，使电容器充电，然后断开开关S.当增大两极板间距离d时，电容器所带电荷量Q、电容C、两板间电压U、电容器两极板间场强E的变化情况是()A．Q变小，C不变，U不变，E变小B．Q变小，C变小，U不变，E不变C．Q不变，C变小，U变大，E不变D．Q不变，C变小，U变小，E变小【解析】电容器断开开关后，其所带电荷量Q不变．d增大，由C＝εrS4πkd可知电容减小．由U＝QC可知电压升高，而场强E＝Ud＝4πkdQεrSd＝4πkQεrS可知场强不变．故选C项．【答案】C方法提炼处理电容器的动态变化问题的思路(1)确定不变量，分析是电压不变还是所带电荷量不变．(2)用决定式C＝εrS4πkd分析平行板电容器电容的变化．(3)用定义式C＝QU分析电容器所带电荷量或两极板间电压的变化．(4)用E＝Ud分析平行板电容器极板间匀强电场场强的变化．从具体情况来看，主要可分为两类题型：(1)第一类动态变化：两极板间电压U恒定不变平行板电容器充电后，继续保持电容器两极板与电池两极相连接，电容器的电压U不变，而d、S、εr变化将引起电容器的C、Q、E变化．由C＝εrS4πkd，Q＝UC，得Q＝UεrS4πkd∝εrSd.(2)第二类动态变化：电容器所带电荷量Q恒定不变平行板电容器充电后，切断与电池的连接，电容器的带电荷量Q不变，而d、S、εr中某一量的变化将引起电容器的C、U、E变化．由C＝εrS4πkd，U＝QC，得U＝4QπkdεrS∝dεrS由E＝Ud得E＝4πkQεrS∝1εrS.考点四平行板电容器中的力学问题带电粒子在平行板电容器中的问题是静电场与力学知识的综合，分析方法与力学的分析方法基本相同：先进行受力分析，再分析和判断粒子的运动性质是匀速、匀变速、直线或曲线，再根据公式求解．如图所示，一平行板电容器跟一电源相接，当S闭合时，平行板电容器极板A、B间的一带电液滴恰好静止．若将两板间距离增大为原来的两倍，那么液滴的运动状态如何变化？若先将S断开，再将两板间距离增大为原来的两倍，液滴的运动状态又将如何变化？【思路点拨】液滴的运动状态与受力有关系，而受力又与场强有关，故此类问题分析场强的变化是解题的关键．【解析】S闭合时，U不变，d增大，E减小，即E′＝Ud′＝U2d＝E2，合外力F＝mg－12Eq＝12mg＝ma所以a＝g2，方向向下．液滴将向下做初速度为零，加速度为12g的匀加速直线运动．S断开时，电容器上带的电荷量保持不变，当d′＝2d时，由E∝QεrS可知，E不变，E′＝E因此，液滴受力情况不变，仍处于静止状态．(多选)如图，A、B是平行金属板，两板间距为d，分别与电源两极相连，现闭合开关，两板的中央有孔M和N，现有一带电质点，自A板上方相距为d的P点由静止自由下落，不计空气阻力，质点到达N孔时速度恰好为零，然后沿原路返回，若保持两极板间电压不变，则下列说法正确的是()A．把A板向上平移一小段距离，质点自P点自由下落后仍能返回B．把A板向下平移一小段距离，质点自P点自由下落后将穿过N孔下落C．把B板向下平移一小段距离，质点自P点自由下落后将穿过N孔下落D．把B板向上平移一小段距离，质点自P点自由下落后仍能返回【解析】平行金属板与电源两极相连，所以两极板间电势差保持不变，带电质点由P点运动到N点的过程中，重力所做正功与电场力所做负功大小相等，即2mgd＝qU，质点在电场内运动时电场力大于重力，合外力向上．假设仍把带电质点从P移到N：(1)如果把A板上移，电势差U与高度2d都不变，对重力做功与电场力做功没有影响，所以仍可以返回，故A项正确．(2)如果A板向下移动一段距离，电势差U和高度2d不变，则对重力做功与电场力做功也没有影响，所以质点仍到N点后返回，故B项错误．(3)如果把B板向下移动一段距离，电场力做功不变，但重力做