《电容器的电容》教学设计

2019-12-05林书缘姜虎军

科技风 2019年31期

关键词：电容器实验探究核心素养

林书缘姜虎军

摘要：在新课程理念下，以电容器的电容为例，基于教学背景的分析，构建了以核心素养为标准的教学目标，促进学生核心素养的提升。

关键词：电容器;核心素养;实验探究

一、教学背景分析

（一）课程标准分析

1.课程标准对本节的要求

观察常见电容器，了解电容器的电容，观察电容器的充、放电现象。能举例说明电容器的应用。[1]

例查阅资料，了解电容器在照相机闪光灯电路中的作用。

2.核心素养分析

物理观念：可以说出电容器的构造，可以列举生活中常见的电容器;观察电容器的充放电过程;能描述容器的定义式及其物理意义。

科学思维：养成通过类比和比值定义法得到电容物理意义的思维能力。

科学探究：在定量探究电荷量和电势差的关系时，运用平分电量法设计实验，培养学生探究能力和归纳总结能力。

科学态度与责任：培养追求真理的精神;通过探究实验，培养学生自主学习的精神和实事求是的科学态度。

（二）教材分析

1.表层结构

呈现方式。在本节课，教材按照“电容器的构造——实验得到充放电过程中能量的转化——引出电荷量Q与电势差U的关系——电容的概念——类比水容器得出电容的物理意义”来编排，一步一步排列有序，联系紧密，符合学生的思维逻辑结构。

2.深层结构

（1）内容分析。“电容器的电容”选自人教版高中物理选修3-1第一章第八节。是学生们学习了“静电场”之后的一节介绍电子元件的课程，该部分内容是对静电场知识的延伸，也是对静电场知识的巩固。教材编写基于学生的思维发展为基础，引导学生一步一步认识电容器，了解生活中电容器的应用，从而达到教学目标。

（2）内容结构。本节内容从电容器的构造到了解电容器的工作原理，从而引出电容器的充放电过程，接着定量探究电荷量Q与电势差U之间的关系，顺利引出电容的概念，最后得出电容的物理意义。

（3）在物理知识体系中的地位。高中物理选修3-1第一章第八节《电容器的电容》主要是介绍电学元件的一节内容。电容器可以储存电荷，从而在两极板之间产生静电场。本节内容是对静电场基本内容的灵活运用。教材把本节内容放在电场强度、电势、电势差等概念之后，既有助于学生对电容器的电容有更加深入的认识，又能帮助学生巩固之前所学的知识。[2]此外，本节知识又是后面学习LC振荡电路的必备知识，是进一步学习交流电路和电子线路的基础，起到了承上启下的作用。

（三）学情分析

1.学生知识基础

在本节的学习中，学生已经掌握了电场力的性质、电场能的性质和电荷的定向移动，同时也知道了电势差和电荷量以及电场强度，也对比值定义法有一定的了解，这为学生学习电容器的理论知识奠定了基础。

2.学生的心理特征

本节课面对的是高二的学生，他们已经具备了一定的实验探究能力和分析总结能力，并且有自己的思维思考方式，可以自主的对一定的现象进行整理、分析，并在教师指导下进行实验设计。

3.学生的认知障碍

电容器在生活中的应用广泛，但学生对电容器并不熟悉，理解起来比较抽象，尤其是对于充放电过程以及电容概念的理解。因此在教学中首先需要通过直观的认识让学生了解电容器的构造，接着通过直观的实验数据让学生理解和接受新知识。

二、教学目标

（一）物理观念

（1）可以说出电容器的构造，可以列举生活中常见的电容器;

（2）观察电容器的充放电过程;能描述容器的定义式及其物理意义。

（二）科学思维

养成通过类比和比值定义法得到电容的物理意义的思维能力。

（三）科学探究

在定量探究电荷量和电势差的关系时，运用平分电量法设计实验，培养学生探究能力和归纳总结能力。

（四）科学态度与责任

（1）培养追求真理的精神;

（2）通过探究实验，培养学生自主学习的精神和实事求是的科学态度。

三、教学重、难点

（一）教学重点

（1）电容器的工作原理;

（2）电容概念的理解和电容定义式的得出。

（二）教学难点

（1）了解电容器充电过程和放电过程;（2）定量分析电容器电荷量与电势差之间的关系。

四、教法与学法

（一）教学方法

1.讲授法

通过对实验现象的总结，启发学生思考电容器充放电过程的变化特征和能量转换;在不知道如何测量电荷量时，教师更应抓住机会启发学生进行思维上的碰撞，和之前的学习紧密联系起来，学以致用，发挥教师主导作用。

2.实验法

学生对于电容器比较陌生，没有一定的前概念，因此教师要用直观的实验现象引发学生思考，给予学生感性上的认识，激发学生的学习兴趣;在定量探究电荷量Q与电势差U的关系时，通过演示实验进行探究，帮助学生解决困惑。

3.演示法

通过演示实验和现代信息技术相结合，从直接感官和理性认知上给予学生思考，对于学习本节课的内容有很大的帮助。

（二）学法指导

本节课通过教师的指引熟悉生活中的电容器，从迅速建立前概念到接受新知形成新的知識体系，学生应紧紧跟随教师的脚步。在教师的指导和启发下，观察实验现象，并进行整理分析，得出结论，引导学生进行思维梳理的过程，在脑海中形成清晰的脉络。

五、教学流程图

六、教学过程

（一）创设情境提供素材

如图1，自制仪器“莱特瓶”，再通过摩擦起电方法给莱特瓶充电，使莱特瓶储存电荷，让学生上台体验“触电”的感觉。

师：为什么会有触电的感觉呢？生：因为这个瓶子带电。

师：这种现象是怎么发生的呢？让我们带着这个疑问共同来学习今天的内容——电容器的电容。说起电容器可能大家都很陌生，没有接触过，但是这个元件在我们生活里经常出现，很多家里的线路板中都有它的身影，譬如洗衣机线路板、遥控器、手机、电视机都有它的存在。

（二）分析素材理解概念

1.了解电容器基本构造

师：大家请看老师拆解的电容器，在这里面亮闪闪的是铝箔，分为上下两层，中间有很薄的塑料膜，像这种两金属板间隔有绝缘物质的器件就是电容器。

2.了解电容器充放电过程

师：电容器，顾名思义是一种可以容纳电荷的仪器。它有两种工作状态，一个是使电容器两极板带有电荷的过程，我们称之为充电过程，它可以储存电荷，另一种是使电容器两极板电量中和的过程，我们称之为放电过程，释放电荷。那电容器是如何进行充放电的？让我们结合实验来了解。

师：如图2，这是一个演示板，主要由电源、电容器、开关、发光二极管组成。当电流从发光二极管正极流入时，会发光，反之则不发光。

3.演示实验构建新知

提出问题：首先是充电过程，请同学们注意观察，当闭合S1时，有什么现象发生？

生：红色发光二極管闪亮后熄灭。

原因是：充电以后，和电源正极相连的极板失去电荷带正电，和电源负极相连的极板得到电荷带负电。在电路中，电荷的定向移动形成电流，由于同性电荷的排斥作用，在最开始电流最大，之后缓慢减小到零。充电过程最终两极板带有等量异种电荷。我们把电容器充电后，任意一极板带电量的绝对值叫电容器的电荷量，用Q表示;电容器两极板间存在电场，就会产生电势差，用U表示，最终等于电源电压。断开电键，充电过程结束。

师：在这个过程中，能量是怎么转化的呢？生：电能转化为电场能。

提出问题：接下来放电过程，我们来看看当闭合S2时，有什么现象发生呢？

生：绿色发光二极管闪亮后熄灭。

原因是：当电容器两端直接和导线相连时，带负电极板上的电荷跑向带正电的极板上跑去，使正负电荷中和掉，由于异性电荷吸引作用，使在放电过程最开始时候电流最大，之后缓慢减小至0。放电过程中两极板带电量逐渐减小所以放电过程实际是电荷中和过程。

师：在这个过程中，能量是由什么能转化成什么能？生：电场能转化为电能。

提出问题：电容器充电后的两极板带有电荷，同时存在电势差。那电容器储存的电荷量与电势差之间有何关系呢？我们能否设计实验来探究这个关系呢？现在请小组间相互讨论，设计实验方案。

启发式提问：那我们应该如何设计实验呢？我们如何测电容器电荷量呢？如图3，讲解电路图;进行实验操作，并记录实验数据。记初始电量为“1” “1/2” “1/4”

师：我们会发现在误差允许的范围内，电荷量Q和电势差U的比值一定。科学家们经过多次实验发现，一个电容器所带的电荷量Q与电容器两极间的电势差U的比值是个常数，并把比值定义为电容器最基本的物理量——电容。用字母C来表示，表达式为C=Q/U。

师：对于不同电容器，定值不同，所以C的大小只与电容器本身有关，与Q和U无关。那我们能说电容C和电荷量Q成正比和电势差成反比么？

生：不能，因为电容C只取决于电容器本身。

师：对的，这个电容有什么物理意义呢？生：是表示电容器容纳电荷本领的物理量。

师：电容的单位是法拉，简称法，符号是F。如果一个电容器带1C电量时，两极板间电势差为1V，这个电容器的电容就为1F。法拉的单位很大，所以生活中常用两个比较小的单位，微法（uF）、皮法（pF）。1F=106μF=1012 nF