教科版物理选修3-1讲义第1章6电容器和电容7静电的应用及危害Word版含答案

6电容器和电容7静电的应用及危害[学习目标]1.知道什么是电容器以及常见的电容器．知道电容器充电和放电的含义．2.理解电容的概念及其定义式C＝eq\f(Q,U)，并能进行有关运算．(重点、难点)3.知道平行板电容器的电容与哪些因素有关，了解公式C＝eq\f(εrS,4πkd)并能用其讨论分析有关问题．(难点)4.了解静电现象，知道静电的应用和危害．一、电容器电容器的电容1．电容器：储存电荷和电能的元件．任何两个彼此绝缘又互相靠近的导体都可以看成一个电容器．2．电容器的充放电(1)充电：把电容器的两极板分别与电池组的两极相连，两个极板分别带上等量的异种电荷的过程，充电过程中，由电源获得的电能储存在电容器中．(2)放电：用导线把充电后的电容器的两极板接通，两极板上的电荷中和的过程，放电过程中，电场能转化为其他形式的能量．3．电容(1)定义：描述电容器储存电荷能力的物理量．(2)公式：C＝eq\f(Q,U)，其中Q指一个极板上带电荷量的绝对值.(3)单位：法拉，符号是F，1F＝1C/V，1F＝106μF＝1012pF.二、平行板电容器的电容常用电容器1．平行板电容器(1)构成：由两个彼此绝缘又相互靠近的平行金属板组成．(2)电容的决定因素电容与两板正对面积S成正比，与电介质的相对介电常数εr成正比，与极板间距离d成反比．(3)表达式：C＝eq\f(εrS,4πkd)，εr为相对介电常数，真空时εr＝1.其他电介质时εr＞1.提醒：C＝eq\f(Q,U)适用于所有电容器；C＝eq\f(εrS,4πkd)仅适用于平行板电容器．2．常用电容器(1)分类：从构造上看，可以分为固定电容器和可变电容器两类．(2)电容器的额定电压和击穿电压①额定电压：电容器能够正常工作时的电压．②击穿电压：电介质被击穿时在电容器两极板上的极限电压，若电压超过这一限度，则电容器就会损坏．三、静电的应用及危害1．静电的应用(1)静电喷涂的工作原理：设法使精细的油漆液滴飞离喷嘴时带上同种电荷，彼此排斥，并在电场力的作用下飞向作为电极的工件.(2)激光打印机的工作原理：利用正、负电荷互相吸引．2．静电的危害(1)雷雨云的雷鸣闪电给人类造成巨大损失．(2)静电火花点燃易燃物质引起爆炸和火灾．(3)静电放电引起电子设备的故障，造成电磁干扰．(4)静电放电击穿集成电路和精密的电子元件，或促使元件老化，降低生产成品率．(5)静电在工业中如电子工业、胶片和塑料工业、造纸印刷工业、纺织工业中都会产生危害．3．静电危害的防止(1)尽快导走多余电荷，避免静电积累．(2)调节空气的湿度．(3)在易燃、易爆气体和粉尘聚集的场所保持良好的通风．1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)放电后的电容器电荷量为零，电容也为零． ()(2)电容器所带的电荷量是指每个极板所带电荷量的代数和． ()(3)电容器的电容与电容器所带电荷量成反比． ()(4)任何两个彼此绝缘而又相互靠近的导体都能组成电容器，而且跟这两个导体是否带电无关． ()(5)在印染厂中保持适当的湿度，是为了防止静电的危害． ()(6)避雷针能避免建筑物被雷击是因为云层中带的电荷被避雷针通过导线导入大地． ()[答案](1)×(2)×(3)×(4)√(5)√(6)×2．某电容器上标有“25μF450V”字样，下列对该电容器的说法中正确的是()A．要使该电容器两极板之间电压增加1V，所需电荷量为2.5×10－5CB．要使该电容器带电荷量为1C，两极板之间需加电压2.5×10－5VC．该电容器能够容纳的电荷量最多为2.5×10－5CD．该电容器能够承受的最大电压为450VA[由电容器的定义式C＝eq\f(Q,U)可得C＝eq\f(ΔQ,ΔU)，所以ΔQ＝C·ΔU＝2.5×10－5×1C＝2.5×10－5C，A正确．若Q＝1C，则U＝eq\f(Q,C)＝4×104V，B错误．当电容器两极板间的电压为450V时，电容器容纳的电荷量最多，Q′＝CU′＝2.5×10－5×450C＝1.125×10－2C，C错误.450V是电容器的额定电压，低于击穿电压，D错误．]3．对于静电喷漆的说法，下列正确的是()A．当油漆从喷枪喷出时，油漆粒子带正电，物体也带正电，相互排斥而扩散开来B．当油漆从喷枪喷出时，油漆粒子带负电，物体不带电，相互吸引而被物体吸附C．从喷枪喷出的油漆粒子带正电，相互排斥而扩散开来，被吸附在带负电的物体上D．因为油漆粒子相互排斥而扩散开来，所以静电喷漆虽喷漆均匀但浪费油漆C[喷枪喷出的油漆粒子带正电，因相互排斥而散开，形成雾状，被喷涂的物体带负电，对雾状油漆产生引力，把油漆吸到表面，从而减少了浪费，所以只有C正确．]电容器电容的理解及应用1.对电容的定义式C＝eq\f(Q,U)的理解(1)电容由电容器本身的构造决定电容器的电容是反映电容器容纳电荷本领的物理量，用比值C＝eq\f(Q,U)来定义，但它却与Q、U无关，是由电容器自身的构造决定的．即使电容器不带电，其电容仍然存在，并且是一确定的值．(2)通过Q­U图像来理解C＝eq\f(Q,U)，在Q­U图像中，如图所示，电容是一条过原点的直线的斜率，其中Q为一个极板上所带电荷量的绝对值，U为两极板间的电势差，可以看出，电容器电容也可以表示为C＝eq\f(ΔQ,ΔU)，即电容器的电容的大小在数值上等于两极板间的电压增加(或减小)1V所需增加(或减小)的电荷量．(3)通过C­Q图像或C­U图像理解由图像看出：C与Q、U均无关．2．平行板电容器的决定式(1)实验探究：如图甲、乙、丙所示．甲乙丙(2)实验结论①平行板电容器的两板之间的正对面积S越大，电容C越大．②板间距离d越大，电容C则越小．③两极板间插入电介质时比不插入电介质时电容大．(3)平行板电容器电容的决定式特别提醒：静电计是用来测量电势差的．使用时把它的金属球跟一个极板相连，另一个极板与静电计的外壳相连(或同时接地)，根据指针的偏转角度就可以测出两个极板间的电势差．【例1】有一充电的电容器，两板间的电压为3V，所带电荷量为4.5×10－4C，此电容器的电容是多少？将电容器的电压降为2V，电容器的电容是多少？所带电荷量是多少？思路点拨：①电容器电容的定义式C＝eq\f(Q,U)中的Q为电容器的带电荷量，是每一个极板上带电荷量的绝对值．②由定义式可得C＝eq\f(ΔQ,ΔU)，ΔQ表示带电荷量的变化量，ΔU是电压的变化量．[解析]由C＝eq\f(Q,U)可得C＝eq\f(Q,U)＝eq\f(4.5×10－4,3)F＝1.5×10－4F.电容器电压降为2V时，电容不变，仍为1.5×10－4F.此时电荷量为Q′＝CU′＝1.5×10－4×2C＝3×10－4C.[答案]1.5×10－4F1.5×10－4F3×10－4C(1)电容的定义式C＝eq\f(Q,U)中的Q为电容器的带电荷量，是其中一个极板上带电荷量的绝对值，不是两个极板上的电荷量总和或绝对值之和．(2)定义式的推广即C＝eq\f(ΔQ,ΔU)，ΔQ表示电荷量的变化，ΔU表示电压的变化．训练角度1对电容器的理解1．下列关于电容器的叙述正确的是()A．电容器是储存电荷的容器，只有带电的容器才能称为电容器B．两个彼此绝缘而又相互靠近的导体，当带电时构成电容器，不带电时不是电容器C．电容器所带的电荷量是指每个极板所带电荷量的代数和D．电容器充电过程是将其他形式的能转化为电容器的电能并储存起来；电容器的放电过程，是将电容器储存的电能转化为其他形式的能D[任何两个彼此绝缘又互相靠近的导体就能储存电荷，可以看成是一个电容器，并不一定带电．故A、B错误；电容器所带的电荷量是指任意一个极板所带电荷量的绝对值，故C错误；电容表征电容器容纳电荷的本领大小，与电容器板间电压、所带电量无关．电容器充电过程是将其他形式能转变成电容器的电能并储存起来；电容器放电过程，是将电容器储存的电能转化为其他形式的能，故D正确．]训练角度2公式C＝eq\f(Q,U)的理解及应用2．如图所示为某一电容器中所带电荷量和两端电压之间的关系图线，若将该电容器两端的电压从40V降低到36V，对电容器来说正确的是()A．是充电过程B．是放电过程C．该电容器的电容为5.0×10－2FD．该电容器的电荷量变化量为0.20CB[由Q＝CU知，U降低，Q减小，故为放电过程，A错，B对；由C＝eq\f(Q,U)＝eq\f(0.2,40)F＝5×10－3F，可知C错；ΔQ＝CΔU＝5×10－3×4C＝0.02C，D错．]平行板电容器的两类动态分析1．平行板电容器始终连接在电源两端：电势差U不变，由C＝eq\f(εrS,4πkd)∝eq\f(εrS,d)可知C随d、S、εr的变化而变化．由Q＝UC＝U·eq\f(εrS,4πkd)，可知，当U不变时，Q也随d、S、εr的变化而变化．由E＝eq\f(U,d)∝eq\f(1,d)可知，当U不变时，E随d的变化而变化．2．平行板电容器充电后，切断与电源的连接：电荷量Q保持不变．由C＝eq\f(εrS,4πkd)∝eq\f(εrS,d)可知C随d、S、εr的变化而变化．由U＝eq\f(Q,C)＝eq\f(4πkdQ,εrS)∝eq\f(d,εrS)可知，当Q不变时，U也随d、S、εr的变化而变化．由E＝eq\f(U,d)＝eq\f(Q,Cd)＝eq\f(4πkQ,εrS)∝eq\f(1,εrS)可知，E随S、εr的变化而变化，而与d无关．【例2】如图所示，平行板电容器带有等量异种电荷，与静电计相连，静电计金属外壳和电容器下极板都接地，在两极板间有一固定在P点的点电荷．以E表示两板间的电场强度，Ep表示点电荷在P点的电势能，θ表示静电计指针的偏角．若保持下极板不动，将上极板向下移动段距离至图中虚线位置，则()A．θ增大，E增大 B．θ增大，Ep不变C．θ减小，Ep增大 D．θ减小，E不变思路点拨：解答本题时应按以下思路分析：eq\x(板间距离的变化)→eq\x(电容的变化)→eq\x(电势差的变化)→eq\x(电场强度的变化)→eq\x(P点电势的变化)→eq\x(电势能的变化)D[若保持下极板不动，将上极板向下平移段距离，则根据C＝eq\f(εrS,4πkd)可知，C变大，Q一定，则根据Q＝CU可知，U减小，则静电计指针偏角θ减小；根据E＝eq\f(U,d)，C＝eq\f(εrS,4πkd)，Q＝CU联立可得E＝eq\f(4πkQ,εrS)，可知Q一定时，E不变；根据U1＝Ed1可知P点离下极板的距离不变，E不变，则P点与下极板的电势差不变，P点的电势不变，则Ep不变，故选项A、B、C错误，D正确．]平行板电容器的动态变化问题的分析方法抓住不变量分析变化量，其理论依据是：(1)首先明确不变量，是电荷量Q不变，还是电压U不变．(2)用电容决定式C＝eq\f(εrS,4πkd)分析电容的变化．(3)用电容定义式C＝eq\f(Q,U)分析Q或U的变化．(4)用E＝eq\f(U,d)分析场强的变化．训练角度1平行板电容器的动态分析1．(多选)如图所示，用静电计可以测量已充电的平行板电容器两极板间的电势差U，现使B板带正电，实验中，电荷量不变，则下列判断正确的是()A．增大两极板之间的距离，静电计指针张角变大B．将A板稍微上移，静电计指针张角将变大C．若将玻璃板插入两极板之间，则静电计指针张角变大D．若将A板拿走，则静电计指针张角变为零AB[电容器上所带电荷量一定，由公式C＝eq\f(εrS,4πkd)，当d变大时，C变小，再由C＝eq\f(Q,U)得U变大；当A板上移时，正对面积S变小，C变小，U变大；当插入玻璃板时，C变大，U变小；当将A板拿走时，相当于使d变得更大，C更小，故U应更大．故选A、B.]训练角度2平行板电容器与力学综合2.如图所示，平行板电容器与电动势为E的直流电源(内阻不计)连接，下极板接地．一带电油滴位于电容器中的P点且恰好处于平衡状态．现将平行板电容器的上极板竖直向上移动段距离，则()A．带电油滴将沿竖直方向向上运动B．P点的电势将降低C．带电油滴的电势能将减小D．电容器的电容减小，极板带电荷量将增大B[上极板向上移动段距离后，板间电压不变，仍为E，故电场强度将减小，油滴所受电场力减小，故油滴将向下运动，A错误；P点的电势大于0，且P点与下极板间的电势差减小，所以P点的电势减小，B正确；油滴向下运动时电场力做负功，油滴的电势能应增加，C错误；电容器的电容C＝eq\f(εrS,4πkd)，由于d增大，电容C应减小，极板带电荷量Q＝CU将减小，D错误．]静电的应用及危害1．静电危害产生的主要原因静电危害起因于电场力和静电火花，静电危害中最严重的静电放电引起可燃物的起火和爆炸．2．防止静电危害的主要方法与途径(1)尽量减少静电的产生，常用的方法是增大空气的湿度．(2)尽快把静电导走，防止静电积累，常用的最简单办法是接地．3．静电现象的应用(1)应用静电现象的基本原理一般是让带电物质微粒在电场力作用下奔向并吸附到异性电极或带电体上，理解这一原理是解决这类问题的关键．(2)强电场电离空气后，电子在电场力作用下向高电势运动，从而使微粒吸附电子而带负电．【例3】(多选)如图所示为静电除尘器除尘机理的示意图．尘埃在电场中通过某种机制带电，在电场力的作用下向集尘极迁移并沉积，以达到除尘的目的．下列表述正确的是()A．到达集尘极的尘埃带正电荷B．电场方向由集尘极指向放电极C．带电尘埃所受电场力的方向与电场方向相同D．同一位置带电荷量越多的尘埃所受电场力越大BD[集尘极与电源的正极相连带正电，放电极带负电，尘埃在电场力作用下向集尘极迁移，说明尘埃带负电荷，A项错误；电场方向由集尘极指向放电极，B项正确；带电尘埃带负电，因此所受电场力方向与电场方向相反，C项错误；同一位置电场强度一定，由F＝qE可知，尘埃所带电荷量越多，所受电场力越大，D项正确．]训练角度1静电的应用1．(多选)静电喷涂机原理如图所示．静电喷涂机接高压电源，工作时涂料微粒会向带正电的被喷涂工件高速运动，微粒最后被吸到工件表面．关于静电喷涂机的涂料微粒，下列表述正确的是()A．微粒带正电 B．微粒带负电C．微粒受电场力作用 D．微粒受重力作用BC[静电喷涂机接高压电源的负极，所以喷出的涂料微粒带负电，故A错误，B正确；由于静电感应工件的表面将会带上正电，对周围的带负电的涂料微粒产生吸引力，带负电的涂料微粒在库仑力的作用下向工件运动，故C正确，D错误．]训练角度2静电的危害与防止2．以下四幅图均是与静电现象相关的实际应用的例子，其中属于防止静电危害的是()ABCDD[A图是利用静电现象复印；B图是利用静电现象喷涂；C图是利用静电现象除尘．以上三图均是静电的利用．D图是利用铁链将静电荷导走，属于静电危害的防止．故选D.]课堂小结知识脉络1.2个过程——电容器的充电和放电过程2.2个公式——电容的定义式和决定式3.2类动态分析——始终与电源连接和充电后与电源断开4.3个静电知识——危害、防止、应用1．电容器是一种常用的电子元件，对电容器的认识正确的是()A．电容器的电容表示其储存电荷的能力B．电容器的电容与它所带的电荷量成正比C．电容器的电容与它两极板间的电压成正比D．电容的常用单位有μF和pF，1μF＝103pFA[电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量，A正确．电容是表征电容器本身性质的物理量，只与自身