17平行板电容器动态问题的最佳处理思路

平行板电容器动态问题的最佳处理思路

湖北省恩施高中陈恩谱一O 一£S对于平仃板电容器动态问题，一般依据的是电容的定乂式C—u、决定式C—耳上］和匀强电场的基本关系式E—U,不过这一思路不是直线型思路，使教师讲解和学生分析都显得比较绕，对新授课和快速d答题，这一思路都是较为困难的。笔者通过教学实践和理论分析，得出了一种实际思路是直线型、理论上讲更符合逻辑的处理方式，在此与大家分享，也请各位不吝赐教。铺垫一：平行板电容决定式的导出过程及高中阶段教学的设计高中物理教材简单的交代了该表达式的来源一一“理论分析表明”，然而并没有对这理论分析的思路提示零星半点。电容决定式导出的理论思路是：1、 真空中点电荷的场强决定式：E=kq，其中k——，%为真空介电常量。r2 4兀£ 00b2、 基于电场强度的矢量叠加原理(高斯定理)，导出真空中无限大带电平板的场强决定式：E=2~^，其中a为电荷面密度，有b—Q；用静电力常量k表示，即为：E=2“栏。e eS S3、平行板电容器是两块相互靠近的金属板形成，每块板电荷量和大小相同，即电荷面密度—Q相eS4nkQ同，板间电场为两板电场的叠加，有：E0=4nkQ同，板间电场为两板电场的叠加，有：E0=2E- —。4、 电介质的极化形成的极化电荷电场E'=\E合，其中xe为电介质的极化率，仅与介质有关；则两板间合电场场强为：E=E-E'=-■-1二 。合0 1+X(1+X)S5、 由电容的定义式C=Q和匀强电场关系式E—U，有：U dC=-^~E合dQ4兀kQ, d（i+xe）S（"S

4nkd一 £S定义£r=1+Xe为介质的相对介电常数，则C—镐。为了把一些定性的结论告诉学生，高中阶段的教学可简单设计如下：1、 设问面电荷电场强度与电荷面密度的关系，引导分析得出定性结论：越大；顺便介绍尖端放电原理一一尖端电荷面密度极大，附近场强极大……电荷面密度越大，电场强度2nkQ 4nkQ2、 介绍理论分析结果E=云号，然后由电场的叠加原理得E合—2E—云亍，进而由电容的定义TOC\o"1-5"\h\zr r式c=U得到c=4*。铺垫二、电容器充放电的具体机制 X—1、充电机制：如图1所示，开关闭合前，电容器不带电荷，则由E=箜孚 £rS —EC和U—Ed可知，电容器两极板电势差为零；取电源负极与电容器下极板为零电势，则有电源正极电势高于电容器上极板电势，开关闭合，就必然在导线中形成 图1顺时针方向充电电流，直到电容器上极板与电源正极等势。图1当极板间距变州'设电容器极板上电荷量不变,则由E=景和和=曲可知’两板间电势差减小，将导致电源正极电势高于电容器上极板电势，又将在导线中形成顺时针方向充电电流，直到电容器上极板与电源正极等势。从上述分析可知，充电的条件是电容器两极板间电压低于与其并联部分两端的电压。图22、放电机制：如图2所示，当开关闭合时，电容器上极板电势高于下极板，则将通过电阻形成放电电流；图1中，若使两板间距增大，设电容器极板上电荷量不变，则由E=丝孚和U=Ed可知，两板间电势差增大，将导致电容器上图2&S极板电势高于电源正极电势，将在导线中形成逆时针方向充电电流，直到电容器上极板与电源正极等势。从上述分析可知，放电的条件是电容器两极板间电压高于与其并联部分两端的电压。说明：在电容不是很大、电路电阻也不是很大的情况下，充放电时间一般都很短，缓慢移动极板时,充放电几乎是瞬间完成。正戏：平行板电容器动态问题的最佳处理思路1、理论依据：U=Ed日_4nkQE1、理论依据：U=Ed£S2、两类问题:（1）保持与电源连接:（2）断开与电源连接:U不变，从公式u=Ed向公式E=4nkQ分析:（1）保持与电源连接:（2）断开与电源连接:£SU E=gUE=d>EE£卢>QQ不变，从公式E=4nkQ向公式U=Ed分析:£S4nkQU E—虹U<E=dE< =£卢—Q3、具体示例:【例1】（2012-海南高考）将平行板电容器两极板之间的距离、电压、电场强度大小和极板所带的电荷量分别用d、U、E和Q表示。下列说法正确的是（）保持U不变，将d变为原来的两倍，则E变为原来的一半保持E不变，将d变为原来的一半，则U变为原来的两倍保持d不变，将Q变为原来的两倍，则U变为原来的一半保持d不变，将Q变为原来的一半，则E变为原来的一半r4nkQ,

半，由E=—菁可知，E£S【解析】由U=Ed可知，A正确，B错误；Q变为原来的两倍时，由E=若r4nkQ,

半，由E=—菁可知，E£S2倍，由U=Ed可知，U变为原来的两倍，C错误；同理，Q变为原来的r变为原来的一半，D正确。【例2】如图所示的电路，闭合开关，水平放置的平行板电容器中有一个带电 厂W"液滴正好处于静止状态。为了使液滴竖直向上运动，下列操作可行的是 __断开开关，将两板间的距离拉大一些 E-断开开关，将两板水平地向相反方向移开一些保持开关闭合，将两板间的距离减小一些保持开关闭合，以两板各自的左侧板沿为轴，同时向上（即逆时针方向）转过一个小角度

【解析】原来开关闭合时，液滴所受静电力F=qE向上与重力平衡，现要使液滴向上运动，就是要使E竖直向上且增大。A、断开开关，Q不变，由E=箜竺.可知，e不变，不合题意；B、断开开关，Q&s— 不变，将两板水平地向相反方向移开一些，正对面积S减小，由E=理2可知，E增大，合乎题意；C、£S保持开关闭合，U不变，将两板间的距离减小一些，由"=Ed可知，E「增大，合乎题意；D、保持开关闭合，U不变，转动极板后两板间距变小，由"=Ed可知，E增大，但是此时电场强度方向不是竖直向上了，故不合题意。【例3】如图所示，平行板电容器A8两极板水平放置，A在上方，B在下方，现将其和二极管串联接在电源上，已知A和电源正极相连，二极管具有单向导电性，一带电小球沿AB中心水平射入，打在B极板上的N点，小球的重力不能忽略，现通过上下移动A板来改变两极板AB间距（两极板仍平行），则下列说法正确的是若小球带正电，当AB间距增大时，小球打在N的右侧若小球带正电，当AB间距减小时，小球打在N的左侧若小球带负电，当AB间距减小时，小球可能打在N的右侧若小球带负电，当AB间距增大时，小球可能打在N的左侧【解析】极板间距增大时，设电容器极板上电荷量不变，由E=平孕可知，E不变，两极板间距增r大，由U=Ed可知，U增加，即A板电势升高，高于电源正极电势，想在二极管处形成向左的放电电流，而这是不可能的，即无法放电，可知Q保持不变，则E不变，小球手里不变，运动轨迹不变，即小球仍然落在N点，故A、D均错误；极板间距减小时，设电容器极板上电荷量不变，由E=理2可知，E不变，两极板间距减小，由£SU=Ed可知，U减小，即A板电势降低，低于电源正极电势』想在二极管处形成向右的充电电流，而这是可以的，故极板所带电荷量Q增大，由E=理2可知，E增大一一若小球带正电，则电场力向下且增£S大，故小球所受合力向下增大，轨迹更弯，小球打在N的左侧，B正确；若小球带负电，则则电场力向上且增大，故小球所受合力向下减小（甚至可能减小为零或者变成向上），