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2019-2020學(xué)年高中物理 第1章 電場(chǎng) 第7節(jié) 了解電容器 第8節(jié) 靜電與新技術(shù)學(xué)案 粵教版選修3-1

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1、第七節(jié) 了解電容器 第八節(jié) 靜電與新技術(shù) [學(xué)習(xí)目標(biāo)] 1.知道電容器的概念,認(rèn)識(shí)常見的電容器,了解電容器的充、放電現(xiàn)象.(重點(diǎn)) 2.理解電容的定義式并能進(jìn)行有關(guān)計(jì)算.(重點(diǎn)) 3.知道平行板電容器的決定因素,并會(huì)分析、解決平行板電容器的兩類問題.(重點(diǎn)、難點(diǎn)) 4.了解靜電現(xiàn)象,關(guān)注生活、生產(chǎn)中的靜電現(xiàn)象,知道靜電在技術(shù)上的應(yīng)用及防止靜電危害的方法. 一、電容器和電容 1.電容器:由兩個(gè)相互靠近,彼此絕緣的導(dǎo)體組成,其間可以填充絕緣物質(zhì). 2.電容器的充、放電 過程 充電過程 放電過程 過程示意 電荷運(yùn)動(dòng) 正電荷向A板移動(dòng),負(fù)電荷向B板移動(dòng) 正電荷由A

2、板移向B板(或負(fù)電荷由B板移向A板) 定義及能量的轉(zhuǎn)化 是使兩個(gè)極板帶上等量異種電荷的過程;從電源獲得能量 儲(chǔ)存在電場(chǎng)中 是使兩個(gè)極板上電荷中和的過程;電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能 聯(lián)系 兩個(gè)過程互逆,電容器的電量、能量變化趨勢(shì)相反 3.電容器的電容 (1)定義:Q與U的比值,公式為C=. (2)物理意義:表示電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量. (3)單位:1 F=106μ F=1012pF. 二、決定電容的因素 1.實(shí)驗(yàn)探究 由于平行板電容器的電容與多種因素有關(guān),故可以采取控制變量法探究. 2.平行板電容器的電容 (1)平行板電容器的電容與兩極板的正對(duì)面積成正比,與兩極板間

3、的距離成反比,并跟板間插入的電介質(zhì)有關(guān). (2)公式:C=. 3.電容器的兩個(gè)性能指標(biāo) (1)一個(gè)是它的電容量. (2)另一個(gè)是它的耐壓能力,耐壓值表示電容器正常使用時(shí)兩個(gè)電極間所能承受的最大電壓. 三、靜電與新技術(shù) 1.靜電在技術(shù)上的應(yīng)用 (1)靜電在技術(shù)上有許多應(yīng)用,比如激光打印、噴墨打印、靜電除塵、靜電噴涂、靜電植絨、靜電復(fù)印等. (2)靜電除塵 結(jié)構(gòu):將高壓電源的正極接在金屬圓筒上,負(fù)極接到懸掛在管心的金屬線上. 原理:正、負(fù)極間有很強(qiáng)的電場(chǎng),使氣體分子電離為電子和正離子.電子附著在空氣中的塵埃上向著圓筒運(yùn)動(dòng)而積累到金屬圓筒上,塵埃積累到一定程度而落入下面的漏斗中.

4、 2.靜電的防護(hù):有些工廠的車間里空氣保持適當(dāng)?shù)臐穸?,油罐車車尾裝有一條拖在地上的鐵鏈等. 1.正誤判斷 (1)電容器是儲(chǔ)存電荷和電場(chǎng)能的元件. (√) (2)電容器的電容與電量成正比,與電壓成反比. (×) (3)研究電容器電容的實(shí)驗(yàn),采用的是控制變量法. (√) (4)家用電器接地線是防靜電. (×) (5)靜電除塵的原理是讓灰塵帶上電荷,然后在電場(chǎng)力的作用下奔向并吸附到異性電極上. (√) 2.下列屬于靜電應(yīng)用的是(  ) A.油罐車后面裝一條拖地的鐵鏈 B.汽修作業(yè)中的靜電噴漆 C.飛機(jī)輪上裝搭地線 D.印刷車間中保持適當(dāng)?shù)臐穸? B [油罐車在運(yùn)輸過程中,

5、不斷的相互摩擦,從而產(chǎn)生大量的靜電,通過后面裝一條拖地的鐵鏈,及時(shí)導(dǎo)走,這是防止靜電危害,故A錯(cuò)誤;汽修作業(yè)中的靜電噴漆是利用靜電,故B正確;飛機(jī)在飛行時(shí),與空氣摩擦產(chǎn)生大量的靜電,所以著落時(shí)通過飛機(jī)輪上裝搭地線,將靜電導(dǎo)走,這是防止靜電,故C錯(cuò)誤;印刷車間中,紙張間摩擦產(chǎn)生大量靜電,由于有一定的濕度,能及時(shí)導(dǎo)走靜電,也是防止靜電,故D錯(cuò)誤;故選B.] 3.(多選)對(duì)于給定的電容器,描述其電容C、電荷量Q、電壓U之間的相應(yīng)關(guān)系的圖象正確的是(  ) BC [對(duì)于一個(gè)給定的電容器,電容是確定的,不會(huì)隨電荷量、電壓的改變而改變;由電容的定義式可以知道,電荷量跟電容器兩端的電壓成正比,因而是

6、過坐標(biāo)原點(diǎn)的一條直線.] 對(duì)電容器、電容的理解 1.電容器是一個(gè)儀器,而電容是一個(gè)物理量,電容表征了電容器容納電荷的本領(lǐng),其數(shù)值等于使兩極板間的電勢(shì)差為1 V時(shí)電容器需要帶的電荷量. 2.電容由電容器本身的構(gòu)造決定,與Q、U無關(guān).由公式C=知,影響電容器電容大小的因素是電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr、電容器兩極板的正對(duì)面積S和兩極板間的距離d. 3.C=與C=的比較 C=是電容的定義式,對(duì)某一電容器來說,Q∝U但C=不變,反映電容器容納電荷本領(lǐng)的大?。? C=是電容器電容的決定式,C∝εr,C∝S,C∝,反映了影響電容大小的因素. 【例1】 一個(gè)平行板電容器,使它每板電荷量從

7、Q1=3×10-5 C增加到Q2=3.6×10-5 C時(shí),兩板間的電勢(shì)差從U1=10 V增加到U2=12 V,這個(gè)電容器的電容多大?如要使兩極板電勢(shì)差從U1=10 V降為U2′=6 V,則每板需減少多少電荷量? [解析] 電荷量的增加量和電勢(shì)差的增加量分別為 ΔQ=Q2-Q1=3.6×10-5 C-3×10-5 C=6×10-6 C, ΔU=U2-U1=12 V-10 V=2 V. 根據(jù)電容的定義,它等于每增加1 V電勢(shì)差所需增加的電荷量,即C== F=3×10-6 F=3 μF 要求兩極板間電勢(shì)差降為6 V,則每板應(yīng)減少的電荷量為ΔQ′=CΔU′=3×10-6×(10-6) C=1

8、.2×10-5 C. [答案] 3 μF 1.2×10-5 C 求解電容器的電容的兩點(diǎn)注意 (1)電容器的電容可以根據(jù)C=或C=求出,但電容器的電容是電容器的屬性,與電容器所帶電荷量Q以及兩極板間的電壓U均無關(guān). (2)定義式的推廣式C=,在電壓U變化問題中求電容更快捷. 訓(xùn)練角度1.對(duì)電容定義式的理解 1.如圖所示為某一電容器中所帶電荷量和兩端電壓之間的關(guān)系圖線,若將該電容器兩端的電壓從40 V降低到36 V,對(duì)電容器來說,下列說法正確的是(  ) A.是充電過程 B.是放電過程 C.該電容器的電容為5.0×10-2 F D.該電容器的電量變化量為0.20

9、 C B [由Q=CU知,U降低,Q減小,故為放電過程,A錯(cuò),B對(duì);由C== F=5×10-3 F,可知C錯(cuò);ΔQ=CΔU=5×10-3×4 C=0.02 C,D錯(cuò).] 訓(xùn)練角度2.C=和C=的比較 2.板間距為d的平行板電容器所帶電荷量為Q時(shí),兩極板間電勢(shì)差為U1,板間場(chǎng)強(qiáng)為E1,現(xiàn)將電容器所帶電荷量變?yōu)?Q,板間距變?yōu)閐,其他條件不變,這時(shí)兩極板間電勢(shì)差為U2,板間場(chǎng)強(qiáng)為E2,下列說法正確的是(  ) A.U2=U1,E2=E1 B.U2=2U1,E2=4E1 C.U2=U1,E2=2E1 D.U2=2U1,E2=2E1 C [當(dāng)平行板電容器的其他條件不變,板間距離變?yōu)閐時(shí),電

10、容器的電容為C′==2C,又知電容器的帶電量變?yōu)?Q,則得知U2=,即U2=U1.根據(jù)勻強(qiáng)電場(chǎng)中電勢(shì)差與場(chǎng)強(qiáng)之間的關(guān)系式E=得E2==2E1,因此選項(xiàng)C正確,其他選項(xiàng)都錯(cuò)誤.] 關(guān)于平行板電容器的動(dòng)態(tài)分析 1.平行板電容器動(dòng)態(tài)問題的分析方法 抓住不變量,分析變化量,緊抓三個(gè)公式: C=、E=和C= 2.平行板電容器的兩類典型問題 (1)平行板電容器始終連接在電源兩端:電勢(shì)差U不變. 由C=∝可知C隨d、S、εr的變化而變化. 由Q=UC=U·,可知,當(dāng)U不變時(shí),Q也隨d、S、εr的變化而變化. 由E=∝可知,當(dāng)U不變時(shí),E隨d的變化而變化. (2)平行板電容器充電后,切

11、斷與電源的連接:電荷量Q保持不變.由C=∝可知C隨d、S、εr的變化而變化. 由U==∝可知,當(dāng)Q不變時(shí),U也隨d、S、εr的變化而變化. 由E===∝可知,E隨S、εr的變化而變化,而與d無關(guān). 【例2】 如圖所示,A、B為兩塊豎直放置的平行金屬板,G是靜電計(jì),開關(guān)S閉合后,靜電計(jì)指針張開一定角度.下述做法可使靜電計(jì)指針張角增大的是(  ) A.使A板向左平移以增大板間距離 B.在A、B兩板之間插入一塊陶瓷板 C.?dāng)嚅_S后,使B板向左平移以減小板間距離 D.?dāng)嚅_S后,使B板向上平移以減小極板正對(duì)面積 D [開關(guān)S閉合,電容器兩端的電勢(shì)差不變,則指針的張角不變,故A、B錯(cuò)誤

12、.?dāng)嚅_S,電容器所帶的電量不變,當(dāng)B板向左平移減小板間距,根據(jù)平行板電容器的表達(dá)式可知電容增大,根據(jù)U=知,電勢(shì)差減小,則指針張角減小,故C錯(cuò)誤.?dāng)嚅_S,電容器所帶的電量不變,使B板向上平移減小正對(duì)面積,電容減小,根據(jù)U=知,電勢(shì)差增大,則指針張角增大,故D正確.] 分析電容器動(dòng)態(tài)變化問題的三個(gè)步驟 (1)明確電容器與電源的連接情況,從而確定是電壓不變還是電荷量不變. (2)由C=,根據(jù)εr、S、d的變化確定C的變化. (3)由C=確定Q或U的變化,根據(jù)E==判斷E的變化. 3.研究與平行板電容器電容有關(guān)因素的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示,下列說法正確的是(  ) A.實(shí)驗(yàn)前,只用

13、帶電玻璃棒與電容器a板接觸,能使電容器帶電 B.實(shí)驗(yàn)中,只將電容器b板向上平移,靜電計(jì)指針的張角變小 C.實(shí)驗(yàn)中,只在極板間插入有機(jī)玻璃板,靜電計(jì)指針的張角變大 D.實(shí)驗(yàn)中,只增加極板帶電量,靜電計(jì)指針的張角變大,表明電容增大 A [當(dāng)用帶電玻璃棒與電容器a板接觸,由于靜電感應(yīng),從而在b板感應(yīng)出等量的異種電荷,從而使電容器帶電,故選項(xiàng)A正確;根據(jù)電容的決定式C=,將電容器b板向上平移,即正對(duì)面積S減小,則電容C減小,根據(jù)C=可知,電量Q不變,則電壓U增大,則靜電計(jì)指針的張角變大,故選項(xiàng)B錯(cuò)誤;根據(jù)電容的決定式C=,只在極板間插入有機(jī)玻璃板,則介電系數(shù)ε增大,則電容C增大,根據(jù)C=可知,

14、電量Q不變,則電壓U減小,則靜電計(jì)指針的張角減小,故選項(xiàng)C錯(cuò)誤;根據(jù)電容決定式C=可知,電容C變化與電量并無關(guān)系,因此電量的改變并不會(huì)導(dǎo)致電容的變化,故選項(xiàng)D錯(cuò)誤.] 靜電現(xiàn)象的應(yīng)用 1.應(yīng)用靜電現(xiàn)象的基本原理一般是讓帶電的物質(zhì)微粒在電場(chǎng)力作用下奔向并吸附到異性電極或帶電體上,理解這一原理是解決這類問題的關(guān)鍵. 2.強(qiáng)電場(chǎng)電離空氣后,電子在電場(chǎng)力作用下向高電勢(shì)運(yùn)動(dòng),從而使微粒吸附電子而帶負(fù)電. 4.下列屬于利用靜電現(xiàn)象的是(  ) A.采用導(dǎo)電橡膠做飛機(jī)輪胎 B.油輪上的工作人員穿導(dǎo)電材料做的衣服;輸油管每隔100~300 m接地一次 C.辦公用的打印機(jī) D.在地毯中夾

15、雜一些導(dǎo)電纖維 C [飛機(jī)在飛行時(shí),與空氣摩擦產(chǎn)生大量的靜電,所以采用導(dǎo)電橡膠做飛機(jī)輪胎,落地時(shí)可將靜電導(dǎo)走,這是防止靜電,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;油輪上的工作人員穿導(dǎo)電材料做的衣服,這樣會(huì)把衣服上的靜電導(dǎo)入大地,輸油管每隔100~300 m接地一次,這都是防止靜電,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;辦公用的打印機(jī)是利用靜電現(xiàn)象來工作的,選項(xiàng)C正確;在地毯中夾雜一些導(dǎo)電纖維,是防止出現(xiàn)靜電,選項(xiàng)D錯(cuò)誤.] 課 堂 小 結(jié) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.電容器是一種能儲(chǔ)存電荷及能量的儀器,而電容是表示電容器容納電荷本領(lǐng)大小的物理量. 2.平行板電容器的電容C=,其大小并不隨Q、U的變化而變化. 3.激光打印、噴墨打印、靜電

16、除塵、靜電噴涂、靜電植絨、靜電復(fù)印等是靜電在新技術(shù)中的應(yīng)用. 1.(多選)下列關(guān)于電容器和電容的說法中,正確的是(  ) A.根據(jù)C=可知,電容器的電容與其所帶電荷量成正比,跟兩板間的電壓成反比 B.對(duì)于確定的電容器,其所帶電荷量與兩板間的電壓成正比 C.無論電容器的電壓如何變化(小于擊穿電壓且不為零),它所帶的電荷量與電壓的比值都恒定不變 D.電容器的電容是表示電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量,其大小與加在兩板間的電壓無關(guān) BCD [電容器的電容是表示電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量,是電容器的一種特性.一個(gè)電容器對(duì)應(yīng)唯一的電容值,不能說電容器的電容與其所帶電荷量成正比,與兩極板間的

17、電壓成反比,因此A錯(cuò)誤,C、D正確;由于電容是定值,由Q=CU知,其所帶電荷量與兩板間的電壓成正比,故B正確.] 2.如圖為某規(guī)格的電容器,下列關(guān)于該電容器的說法正確的是(  ) A.該電容器只有接80 V的恒定電壓時(shí)才能工作 B.給該電容器充電或放電過程中有電荷流過電容器 C.電容器上不帶電,其電容也是1000 μF D.外殼上所標(biāo)的80 V指的是擊穿電壓 C [由標(biāo)稱值可知,該電容器用于直流80 V及以下電壓時(shí)才能正常工作,故A錯(cuò)誤;給該電容器充電或放電過程中,電荷不能經(jīng)過電容器,因?yàn)閮蓚€(gè)極間有絕緣介質(zhì),電容器不是電阻,故B錯(cuò)誤;電容器的電容與電荷量無關(guān),故電容器上不帶電,

18、其電容也是1000 μF,故C正確;外殼上所標(biāo)的80 V指的是額定電壓,小于擊穿電壓,故D錯(cuò)誤.] 3.由于人們行走時(shí)鞋子和地板摩擦產(chǎn)生靜電,帶電的離子會(huì)在地板表面對(duì)空氣中的灰塵產(chǎn)生吸引,對(duì)于電腦機(jī)房、電子廠等單位會(huì)造成一定的影響,防靜電地板又叫做耗散靜電地板(如圖所示),當(dāng)它接地或連接到任何較低電勢(shì)點(diǎn)時(shí),使電荷能夠耗散,地板在施工中,地板下面要鋪設(shè)鋁箔,鋁箔要連接到地下預(yù)埋導(dǎo)體,下列關(guān)于防靜電地板的說法正確的是(  ) A.地板下面要鋪設(shè)鋁箔的作用是防潮 B.地板必須是絕緣體材料 C.地板必須是導(dǎo)電的,如地板中含有導(dǎo)電纖維 D.只要地板下面鋪設(shè)鋁箔,地板材料無所謂絕緣體或?qū)w

19、 C [在該情景中,地板在施工中,地板下面要鋪設(shè)鋁箔,鋁箔要連接到地下預(yù)埋導(dǎo)體就是要將地板上的靜電導(dǎo)走,所以防靜電地板必須是導(dǎo)電的,如地板中含有導(dǎo)電纖維,這樣才能將靜電通過地板下面鋪設(shè)的鋁箔導(dǎo)走,故選項(xiàng)C正確,A、B、D錯(cuò)誤.] 4.平行金屬板A、B組成的電容器,充電后與靜電計(jì)相連,如圖,要使靜電計(jì)指針張角變大.下列措施中可行的是 (   ) A.A板向上移動(dòng) B.A、B之間插入與平行金屬板等大的金屬板 C.A、B之間插入電介質(zhì) D.使兩板帶的電荷量減小 A [A板上移時(shí),正對(duì)面積減小,則由C=可知,電容減小,則由C=可知,電勢(shì)差增大,故張角變大,故A正確;插入金屬板相當(dāng)于減小板間距離,則C增大,電勢(shì)差減小,張角減小,故B錯(cuò)誤;當(dāng)A、B間插入電介質(zhì)時(shí),C增大,則由C=可知,電勢(shì)差減小,故張角變小,故C錯(cuò)誤;減小電荷量時(shí),C不變,則由C=可知,電勢(shì)差減小,故張角減小,故D錯(cuò)誤;故選A.] - 9 -

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