2012届高考物理一轮复习 6.4电容器 静电现象的应用学案.pdf

第第 4 4 课时课时电容器电容器静电现象的应用静电现象的应用基础知识归纳1.静电感应现象导体放入电场后，导体内部自由电荷在电场力作用下做定向移动，使导体两端出现等量的正、负电荷的现象.2.静电平衡(1)状态：导体中(包括表面)没有电荷定向移动.(2)条件：导体内部场强处处为零.(3)导体处于静电平衡状态的特点：导体表面上任何一点的场强方向跟该点外表面垂直；电荷只分布在导体外表面；整个导体是一个等势体，导体表面是一个 等势面.3.静电屏蔽导体球壳内(或金属网罩内)达到静电平衡后，内部场强处处为零，不受外部电场的影响，这种现象叫静电屏蔽.4.尖端放电导体尖端的电荷密度很大，附近场强很强，能使周围气体分子电离，与尖端电荷电性相反的离子在电场力作用下奔向尖端，与尖端电荷中和，这相当于导体尖端失去电荷，这一现象叫尖端放电.如高压线周围的“光晕”就是尖端放电现象，所以高压设备尽量做得光滑，防止尖端放电，而避雷针则是利用尖端放电的实例.5.电容器(1)两块互相靠近又彼此绝缘的导体组成的电子元件.(2)电容器的带电量：一个极板所带电荷量的绝对值.(3)电容器的充、放电：使电容器带电的过程叫做充电，使电容器失去电荷的过程叫做放电.6.电容Q(1)定义：电容器所带电荷量与两极板间电势差的比值叫电容，定义式为C.U(2)单位：法拉，符号 F，换算关系为1 F10 F10 pF.(3)物理意义：电容是描述电容器储存电荷本领大小的物理量，可与卡车的载重量类比.7.平行板电容器的电容电容C与平行板正对面积S成正比，与电介质的介电常数r成正比，与两极板的距离d成反比，即C612rS4kd.重点难点突破一、处理平行板电容器内部E、U、Q变化问题的基本思路1.首先要区分两种基本情况；(1)电容器始终与电源相连时，电容器两极板电势差U保持不变；(2)电容器充电后与电源断开时，电容器所带电荷量Q保持不变.2.赖以进行讨论的物理依据有三个：(1)平行板电容器电容的决定式CrS4kd；(2)平行板电容器内部为匀强电场，所以场强E；(3)电容器所带电荷量QCU.二、带电粒子在平行板电容器内运动和平衡的分析方法带电粒子在平行板电容器中的运动与平衡问题属力学问题，处理方法是：先作受力分析和运动状态分析，再结合平衡条件、牛顿运动定律、功能观点进行分析和求解.三、电容器在直流电路中的处理方法电容器是一个储存电荷的元件，在直流电路中，当电容器充放电时，电路中有充放电电流，一旦达到稳定状态，电容器在电路中相当于一个阻值无限大的元件，在电容器处看做断路，简化电路时可去掉它，简化后若要求电容器所带电荷量时，可以在相应的位置补上.典例精析1.平行板电容器内部E、U、Q的关系【例 1】一平行板电容器电容为C，两极板间距为d，接到一电压一定的电源上，电容器的带Udd，则电容器的电 容为，两极板2电压为，电容器带电荷量为，两极板的场强为.电量为Q，电容器与电源始终保持连接.把两极板距离变为【解析】由于电容器始终接在电源上，因此两极板间电压保持不变，由C即rS4kd，有CrS，dCd，所以C2CCd2由公式QCU，U不变，则QCQC2，即Q2QQC由E，U一定，则EUd1dEdU2Q2，E2E2 Edcdd22Qcd【思维提升】若上题中平行板电容器充电后，切断与电源的连接，电容器d、S、r变化，将引起电容器C、Q、U、E怎样变化？可根据切断电源后Q不变，再由以下几式讨论C、U、E的变化.【答案】2C；U；2Q；CUrS4kdrSdQ4kdQdQrSrSrSC4kdUQQ4kQ1E dCdrSdrSrS4kd【拓展 1】一平行板电容器充电后S 与电源断开，负极板接地，在两极间有一正电荷(电荷量很小)固定在P点，如图所示.以U表示两极板间的电压，E表示两极板间的场强，表示该正电荷在P点的电势能，若保持负极板不动，而将正极板移至图中虚线所示位置，则(AC)A.U变小，不变B.E变大，不变 C.U变小，E不变 D.U不变，不变【解析】根据充电后与电源 断开，Q不变和C因E rS4kd，有d，C，又UQ，即C，UCUQdcdQQ4krSdrS4kd所以E不变，P点到极板的距离不变，则P点下极板的电势差不变，P点的电势 P不变，P点电势能 Pq不变，所以 A、C 选项正确.2.带电粒子在平行板电容器内运动和平衡的分析【例 2】如图所示，在空气中水平放置的两块金属板，板间距离d5.0 mm，电源电压U150 V.当开关 S 断开，金属板不带电时，极板中的油滴匀速下落，速度为v0，然后闭合S，则油滴匀速上升，其速度大小也是v0，633已测得油滴的直径D1.1010 m，油滴密度1.0510 kg/m.已知油滴运动时所受空19气阻力与油滴速度成正比，不计空气浮力，元电荷e1.610 C，求油滴的带电荷量.【解析】油滴匀速下降，受竖直向下的重力mg和向上的空气阻力Ff而平衡，有mgFf油滴的质量为mV阻力Ffkv把式代入式得3D gkv063D6S闭合后油滴匀速上升，油滴受向上电场力FE和向下的重力mg、空气阻力Ff平衡，即：FEmgFfU电场力FEEqqd空气阻力Ffkv0将式代入式得U3qD gkv0d6由两式得U3qD gd3dD3g19解得q4.810 C3U【思维提升】本题考查了带电粒子在平行板电容器间的运动，属于力学问题.处理方法是：受力分析后利用平衡条件求解.【拓展 2】如图所示，A，B为平行金属板，两板相距为d，分别与电源两极相连，两板中央各有一小孔M、N，今有一带电质点，自A 板上方相距为d的P点由静止自由下落(P、M、N三点在同一竖直线上)，空气阻力不计，到达N点的速度恰好为零，然后按原路径返回，若保持两板间的电压不变，则(AD)A.若把A板向上平移一小段距离，质点自P点下落仍能返回B.若把B板向下平移一小段距离，质点自P点下落仍能返回C.若把A板向上平移一小段距离，质点自P点下落后将穿过N孔继续下落D.若把B板向下平移一小段距离，质点自P点下落后将穿过N孔继续下落【解析】当开关S 一直闭合时，A、B两板之间的电压保持不变，当带电质点从M向N运动时，要克服电场力做功，WqUAB，由题设条件知：质点由P到N的运动过程中，重力做的功与物体克服电场力做的功相等，即mg2dqUAB0.A、C 选项中，因UAB保持不变，上述等式仍成立，故沿原路返回；B、D 选项中，因B板下移一段距离，保持UAB不变，而重力做功增加，所以它将一直下落.综上所述，正确选项为 A 和 D.3.电容器在直流电路中的处理方法【例 3】如图所示，电源电压恒为10 V，R14，R26，C30 F，求：(1)闭合开关 S，电路稳定后通过R1的电流；(2)电流稳定后，断开开关S，求通过R1的带电量.【解析】(1)以U0表示电源电压，则 S 闭合，电路稳定时电路中的电流强度为10U0I A1 AR1R246(2)由欧姆定律得R2两端电压U2为6U2IR216V6 V，此时电容两端电压也为U2，则其带电量QCU2，Q3010 6C1.8104 C64断开S 后，电容器两端电压为U0，其带电量则变为QCU03010 10 C3.010 C故得 S 断开后通过R1的总电量为44QQQ3.010 C1.810 C4即 Q1.210 C【思维提升】电路稳定后，由于电容器所在支路无电流通过，因此与电容器串联的电阻上无电压，当电容器和电阻并联后接入电路时，电容器两端的电压与其并联电阻两端电压相等，电路中的电流电压变化时，会引起充放电.【拓展 3】一平行板电容器C，极板是水平放置的，它与三个可变电阻及电源连接如图电路，有一个质量为m的带电油滴悬浮在电容器的两极板之间，静止不动.现要使油滴上升，可采用的办法是(CD)A.增大R1 B.增大R2C.增大R3 D.减小R2易错门诊4.理解导体静电平衡的特点【例 4】如图，当带正电的绝缘空腔导体 A 的内部通过导线与验电器的小球 B 连接时，验电器的指针是否带电？【错解】因为静电平衡时，净电荷只分布在空腔导体的外表面，内部无电荷，所以，导体 A内部通过导线与验电器小球连接时，验电器不带电.【错因】关键是对“导体的外表面”含义不清，结构变化将要引起“外表面”的变化，这一点要分析清楚.【正解】空腔导体A的内部通过导线与验电器的小球B连接后，A、B两者便构成了一个整体.验电器的金箔成了导体的外表面的一部分，改变了原来导体结构，净电荷要重新分布，即电荷分布于新的导体的外表面，因而金箔将带电.【思维提升】“内表面”与“外表面”是相对(整体)而言的，要具体情况具体分析，如本题中平衡后空腔内的小球仍不带电，只是空腔表面的电荷通过小球移动到了金箔外表面上.