Открытый урок по физике по теме «Электроемкость. Конденсаторы». 10-й класс

Разделы: Физика

Класс: 10

Цель урока: Ввести понятие емкости проводника и конденсатора.

Задачи урока: Научить учащихся пользоваться формулами электроемкости заряженного проводника и конденсатора. Показать назначение и применение конденсаторов в нашей жизни.

Оборудование урока: Плоский воздушный конденсатор, электрофорная машина, проводники, пластины из диэлектриков.

Опрос пройденного материала. Опрос пройденного материала производится с помощью компьютеров по тест модулю «Потенциал и напряженность электрического поля»

1. Проводящий шар находится о однородном электростатическом поле. Сравнить потенциалы точек 1 и 2 шара.

2. Отрицательный заряд внесен внутрь полой проводящей сферы, внешняя поверхность которой заземлена. Что можно сказать о потенциалах  φ1 и φ2 в произвольных точках внутри и снаружи шара.

3. Заряд q перемещен по контуру ABCDA (на рисунке – против часовой стрелки) в поле точечного заряда Q. На каком участке или участках работа сил поля положительна, если Q > 0 и q > 0?

4. В неоднородном электрическом поле положительный заряд перемещается из точки 1 в точку 2 по разным траекториям. В каком случае работа сил электрического поля больше?

5. Электрическое поле создано неподвижным положительно заряженным шаром +q1. Как изменятся напряженность и потенциал поля в точке A, если в точке B будет размещен другой положительный заряд +q2 и |q2| < |q1|?

6. С какой силой действует однородное электростатическое поле, напряженность которого E = 200 000 Н/Кл, на заряд q = 5∙10–6 Кл?

7. Определите разность потенциалов между точками 1 и 2 электрического поля точечного заряда q = 4∙10–8 Кл, если расстояния от этих точек до заряда равны соответственно 1 и 4 м?

 

8. В однородном электростатическом поле четыре заряда движутся по направлениям, указанным стрелками. Установите, какие заряды перемещаются под действием сил электрического поля. Какие работы по перемещению зарядов положительные, а какие отрицательные?

Объяснение нового материала. 

Новый материал излагается на интерактивной доске с помощью модуля «Электроемкость. Электроемкость конденсатора».

Емкость проводника.

После открытия электризации тел перед экспериментаторами возник вопрос: при каком условии можно накопить на проводниках большой электрический заряд.

Электроемкость проводника. Рассмотрим удаленный от всех тел проводник, заряженный равномерно распределенным  по нему зарядом  q. Тогда можно утверждать, что потенциал на поверхности проводника будет пропорционален заряду проводника.

q ~ φ         или        q = С φ

Коэффициент пропорциональности С, где С > 0, между зарядом и потенциалом называется электроемкостью проводника (сокращенно емкостью).

Электроемкость – физическая величина, характеризующая способность проводника накапливать заряд при заданном потенциале и определяемая как отношение заряда уединенного проводника к его потенциалу.

С=q/φ

С системе СИ единица электроемкости называется фарад (Ф):

Из-за того что заряд 1 Кл очень велик, емкость 1 Ф тоже очень велика. Поэтому на практике часто используют доли этой единицы:

  • 1пФ = 10–12 Ф
  • 1 мкФ = 10–6 Ф

Конденсаторы. Емкость конденсатора.

Большой заряд можно накопить если использовать не один проводник, а два близко расположенных проводника, которым сообщить равные по модулю и разные по знаку электрические заряды. Такое устройство, предназначенное для накопления электрического заряда и состоящее из двух близко расположенных проводников (обкладки), разделенных тонким слоем диэлектрика, называется конденсатором.

Электроемкостью конденсатора называется физическая величина, равная  отношению заряда одной из пластин конденсатора (обкладки) q к разности потенциалов Δφ между ними.

Первым конденсатором в истории физики  стала лейденская банка, опыты с которой в середине XVIII века поставил голландский ученый Питер Ван Мушенбрук.

Мушенбруку привелось испытать на себе прохождение огромного по тем временам электрического заряда с помощью обыкновенной стеклянной банки. Оказалось, что если выложить внутреннюю и внешнюю поверхность банки фольгой, тона этих проводниках можно накапливать большой электрический заряд.

Емкость плоского конденсатора

Простейшим конденсатором является система из двух проводящих пластин разделенных тонким диэлектриком. Такой конденсатор называется плоским.

Не сложно увидеть: 

1) что заряд конденсатора q, а следовательно и емкость конденсатора C (согласно формулы С=q/U) будет прямо пропорционально зависеть от площади пластин (обкладок) S.

С ~ S

2) из формулы С=q/U также видно, что чем меньше напряжение между обкладками конденсатора, тем больше емкость конденсатора С. А напряжение между обкладками  U = φ1 – φ2 прямо пропорционально зависит от расстояния между обкладками d. Следовательно Между С и d существует обратно пропорциональная зависимость.

C ~

3) вводя различные виды диэлектриков между пластинами можно изменять емкость конденсатора. Следовательно емкость конденсатора пропорциональна диэлектрической проницаемости диэлектрика ε.

С ~ ε

Тогда формула плоского конденсатора имеет вид  

Где ε0 =  8,85* 10–12 Ф/м – электрическая постоянная.

Электрическое однородное поле плоского  конденсатора в основном локализовано между обкладками.

Конденсаторы первоначально использовались для накопления электрического заряда.

Но сегодня когда существуют различные источники тока, потребность в накоплении электрического заряда отпала. Тем не менее конденсаторы очень широко используются  в радиотехнике для:

  1. Накопления электрического заряда и энергии.
  2. Фильтрации и сглаживания выпрямленного тока.
  3. Настройки резонансных цепей приемо-передающей аппаратуры с помощью конденсатора переменной емкости.
  4. Фильтрация или развязка цепей  по постоянному току и «прохождение» переменного тока через конденсатор.

И т.д.

Закрепление пройденного материала.

С помощью компьютеров рассматривается тест модуль «Плоский конденсатор».

  1. Напряженность электрического поля в пространстве между пластинами плоского конденсатора в вакууме равна 40 В/м, расстояние между пластинами равно 2 см. Каково напряжение между пластинами конденсатора?
  2. Заряд на обкладках конденсатора увеличили в 2 раза. Как изменится электроемкость конденсатора?
  3. Электрический заряд на одной пластине конденсатора +20 Кл а на другой -20 Кл. Напряжение между пластинами 5*104 В. Определить электроемкость конденсатора.
  4. Как изменится емкость плоского конденсатора, если расстояние между его пластинами увеличить в 2 раза?
  5. Как изменится напряжение на обкладках заряженного плоского конденсатора, если расстояние между его обкладками увеличить в 2раза?
  6. Плоский конденсатор подключен к источнику постоянного тока. Как изменится заряд на обкладках  конденсатора, если площадь пластин уменьшить в 2 раза?
  7. Как изменится емкость конденсатора при его заполнении диэлектриком с проницаемостью  ε = 4? Конденсатор исходно заряжен и отключен от источника тока.
  8. Как изменится электроемкость конденсатора, если в пространство между пластинами вместо стекла с ε = 7 вставить парафин с ε = 2?
  9. Какую площадь должны иметь пластины плоского конденсатора для того, чтобы его электроемкость была равна 1 мкФ, если между пластинами помещен слой слюды толщиной  0,1 мм? Диэлектрическая проницаемость слюды ε = 7. Электрическая постоянная равна  ε0 =  8,85* 10–12 Ф/м.

(Задание №9 является дополнительным).

Первый вариант делает не четные задания, а второй вариант – четные. Оценивание количества выполненных заданий производится компьютером.  По количеству выполненных заданий выставляется оценка в журнал.

Задание на дом.

  • § 101 – 102, упражнение 18 № 1,3