《電容器的電容》教學(xué)設(shè)計

林書緣 姜虎軍

摘?要：在新課程理念下，以電容器的電容為例，基于教學(xué)背景的分析，構(gòu)建了以核心素養(yǎng)為標準的教學(xué)目標，促進學(xué)生核心素養(yǎng)的提升。

關(guān)鍵詞：電容器;核心素養(yǎng);實驗探究

一、教學(xué)背景分析

（一）課程標準分析

1.課程標準對本節(jié)的要求

觀察常見電容器，了解電容器的電容，觀察電容器的充、放電現(xiàn)象。能舉例說明電容器的應(yīng)用。[1]

例查閱資料，了解電容器在照相機閃光燈電路中的作用。

2.核心素養(yǎng)分析

物理觀念：可以說出電容器的構(gòu)造，可以列舉生活中常見的電容器;觀察電容器的充放電過程;能描述容器的定義式及其物理意義。

科學(xué)思維：養(yǎng)成通過類比和比值定義法得到電容物理意義的思維能力。

科學(xué)探究：在定量探究電荷量和電勢差的關(guān)系時，運用平分電量法設(shè)計實驗，培養(yǎng)學(xué)生探究能力和歸納總結(jié)能力。

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：培養(yǎng)追求真理的精神;通過探究實驗，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的精神和實事求是的科學(xué)態(tài)度。

（二）教材分析

1.表層結(jié)構(gòu)

呈現(xiàn)方式。在本節(jié)課，教材按照“電容器的構(gòu)造——實驗得到充放電過程中能量的轉(zhuǎn)化——引出電荷量Q與電勢差U的關(guān)系——電容的概念——類比水容器得出電容的物理意義”來編排，一步一步排列有序，聯(lián)系緊密，符合學(xué)生的思維邏輯結(jié)構(gòu)。

2.深層結(jié)構(gòu)

（1）內(nèi)容分析?！半娙萜鞯碾娙荨边x自人教版高中物理選修3-1第一章第八節(jié)。是學(xué)生們學(xué)習(xí)了“靜電場”之后的一節(jié)介紹電子元件的課程，該部分內(nèi)容是對靜電場知識的延伸，也是對靜電場知識的鞏固。教材編寫基于學(xué)生的思維發(fā)展為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生一步一步認識電容器，了解生活中電容器的應(yīng)用，從而達到教學(xué)目標。

（2）內(nèi)容結(jié)構(gòu)。本節(jié)內(nèi)容從電容器的構(gòu)造到了解電容器的工作原理，從而引出電容器的充放電過程，接著定量探究電荷量Q與電勢差U之間的關(guān)系，順利引出電容的概念，最后得出電容的物理意義。

（3）在物理知識體系中的地位。高中物理選修3-1第一章第八節(jié)《電容器的電容》主要是介紹電學(xué)元件的一節(jié)內(nèi)容。電容器可以儲存電荷，從而在兩極板之間產(chǎn)生靜電場。本節(jié)內(nèi)容是對靜電場基本內(nèi)容的靈活運用。教材把本節(jié)內(nèi)容放在電場強度、電勢、電勢差等概念之后，既有助于學(xué)生對電容器的電容有更加深入的認識，又能幫助學(xué)生鞏固之前所學(xué)的知識。[2]此外，本節(jié)知識又是后面學(xué)習(xí)LC振蕩電路的必備知識，是進一步學(xué)習(xí)交流電路和電子線路的基礎(chǔ)，起到了承上啟下的作用。

（三）學(xué)情分析

1.學(xué)生知識基礎(chǔ)

在本節(jié)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)掌握了電場力的性質(zhì)、電場能的性質(zhì)和電荷的定向移動，同時也知道了電勢差和電荷量以及電場強度，也對比值定義法有一定的了解，這為學(xué)生學(xué)習(xí)電容器的理論知識奠定了基礎(chǔ)。

2.學(xué)生的心理特征

本節(jié)課面對的是高二的學(xué)生，他們已經(jīng)具備了一定的實驗探究能力和分析總結(jié)能力，并且有自己的思維思考方式，可以自主的對一定的現(xiàn)象進行整理、分析，并在教師指導(dǎo)下進行實驗設(shè)計。

3.學(xué)生的認知障礙

電容器在生活中的應(yīng)用廣泛，但學(xué)生對電容器并不熟悉，理解起來比較抽象，尤其是對于充放電過程以及電容概念的理解。因此在教學(xué)中首先需要通過直觀的認識讓學(xué)生了解電容器的構(gòu)造，接著通過直觀的實驗數(shù)據(jù)讓學(xué)生理解和接受新知識。

二、教學(xué)目標

（一）物理觀念

（1）可以說出電容器的構(gòu)造，可以列舉生活中常見的電容器;

（2）觀察電容器的充放電過程;能描述容器的定義式及其物理意義。

（二）科學(xué)思維

養(yǎng)成通過類比和比值定義法得到電容的物理意義的思維能力。

（三）科學(xué)探究

在定量探究電荷量和電勢差的關(guān)系時，運用平分電量法設(shè)計實驗，培養(yǎng)學(xué)生探究能力和歸納總結(jié)能力。

（四）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

（1）培養(yǎng)追求真理的精神;

（2）通過探究實驗，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的精神和實事求是的科學(xué)態(tài)度。

三、教學(xué)重、難點

（一）教學(xué)重點

（1）電容器的工作原理;

（2）電容概念的理解和電容定義式的得出。

（二）教學(xué)難點

（1）了解電容器充電過程和放電過程;（2）定量分析電容器電荷量與電勢差之間的關(guān)系。

四、教法與學(xué)法

（一）教學(xué)方法

1.講授法

通過對實驗現(xiàn)象的總結(jié)，啟發(fā)學(xué)生思考電容器充放電過程的變化特征和能量轉(zhuǎn)換;在不知道如何測量電荷量時，教師更應(yīng)抓住機會啟發(fā)學(xué)生進行思維上的碰撞，和之前的學(xué)習(xí)緊密聯(lián)系起來，學(xué)以致用，發(fā)揮教師主導(dǎo)作用。

2.實驗法

學(xué)生對于電容器比較陌生，沒有一定的前概念，因此教師要用直觀的實驗現(xiàn)象引發(fā)學(xué)生思考，給予學(xué)生感性上的認識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;在定量探究電荷量Q與電勢差U的關(guān)系時，通過演示實驗進行探究，幫助學(xué)生解決困惑。

3.演示法

通過演示實驗和現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，從直接感官和理性認知上給予學(xué)生思考，對于學(xué)習(xí)本節(jié)課的內(nèi)容有很大的幫助。

（二）學(xué)法指導(dǎo)

本節(jié)課通過教師的指引熟悉生活中的電容器，從迅速建立前概念到接受新知形成新的知識體系，學(xué)生應(yīng)緊緊跟隨教師的腳步。在教師的指導(dǎo)和啟發(fā)下，觀察實驗現(xiàn)象，并進行整理分析，得出結(jié)論，引導(dǎo)學(xué)生進行思維梳理的過程，在腦海中形成清晰的脈絡(luò)。

五、教學(xué)流程圖

六、教學(xué)過程

（一）創(chuàng)設(shè)情境 提供素材

如圖1，自制儀器“萊特瓶”，再通過摩擦起電方法給萊特瓶充電，使萊特瓶儲存電荷，讓學(xué)生上臺體驗“觸電”的感覺。

師：為什么會有觸電的感覺呢？生：因為這個瓶子帶電。

師：這種現(xiàn)象是怎么發(fā)生的呢？讓我們帶著這個疑問共同來學(xué)習(xí)今天的內(nèi)容——電容器的電容。說起電容器可能大家都很陌生，沒有接觸過，但是這個元件在我們生活里經(jīng)常出現(xiàn)，很多家里的線路板中都有它的身影，譬如洗衣機線路板、遙控器、手機、電視機都有它的存在。

（二）分析素材 理解概念

1.了解電容器基本構(gòu)造

師：大家請看老師拆解的電容器，在這里面亮閃閃的是鋁箔，分為上下兩層，中間有很薄的塑料膜，像這種兩金屬板間隔有絕緣物質(zhì)的器件就是電容器。

2.了解電容器充放電過程

師：電容器，顧名思義是一種可以容納電荷的儀器。它有兩種工作狀態(tài)，一個是使電容器兩極板帶有電荷的過程，我們稱之為充電過程，它可以儲存電荷，另一種是使電容器兩極板電量中和的過程，我們稱之為放電過程，釋放電荷。那電容器是如何進行充放電的？讓我們結(jié)合實驗來了解。

師：如圖2，這是一個演示板，主要由電源、電容器、開關(guān)、發(fā)光二極管組成。當電流從發(fā)光二極管正極流入時，會發(fā)光，反之則不發(fā)光。

3.演示實驗 構(gòu)建新知

提出問題：首先是充電過程，請同學(xué)們注意觀察，當閉合S1時，有什么現(xiàn)象發(fā)生？

生：紅色發(fā)光二極管閃亮后熄滅。

原因是：充電以后，和電源正極相連的極板失去電荷帶正電，和電源負極相連的極板得到電荷帶負電。在電路中，電荷的定向移動形成電流，由于同性電荷的排斥作用，在最開始電流最大，之后緩慢減小到零。充電過程最終兩極板帶有等量異種電荷。我們把電容器充電后，任意一極板帶電量的絕對值叫電容器的電荷量，用Q表示;電容器兩極板間存在電場，就會產(chǎn)生電勢差，用U表示，最終等于電源電壓。斷開電鍵，充電過程結(jié)束。

師：在這個過程中，能量是怎么轉(zhuǎn)化的呢？生：電能轉(zhuǎn)化為電場能。

提出問題：接下來放電過程，我們來看看當閉合S2時，有什么現(xiàn)象發(fā)生呢？

生：綠色發(fā)光二極管閃亮后熄滅。

原因是：當電容器兩端直接和導(dǎo)線相連時，帶負電極板上的電荷跑向帶正電的極板上跑去，使正負電荷中和掉，由于異性電荷吸引作用，使在放電過程最開始時候電流最大，之后緩慢減小至0。放電過程中兩極板帶電量逐漸減小所以放電過程實際是電荷中和過程。

師：在這個過程中，能量是由什么能轉(zhuǎn)化成什么能？ 生：電場能轉(zhuǎn)化為電能。

提出問題：電容器充電后的兩極板帶有電荷，同時存在電勢差。那電容器儲存的電荷量與電勢差之間有何關(guān)系呢？我們能否設(shè)計實驗來探究這個關(guān)系呢？現(xiàn)在請小組間相互討論，設(shè)計實驗方案。

啟發(fā)式提問：那我們應(yīng)該如何設(shè)計實驗?zāi)?？我們?nèi)绾螠y電容器電荷量呢？如圖3，講解電路圖;進行實驗操作，并記錄實驗數(shù)據(jù)。記初始電量為“1”?“1/2”?“1/4”

師：我們會發(fā)現(xiàn)在誤差允許的范圍內(nèi)，電荷量Q和電勢差U的比值一定?？茖W(xué)家們經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)，一個電容器所帶的電荷量Q與電容器兩極間的電勢差U的比值是個常數(shù)，并把比值定義為電容器最基本的物理量——電容。用字母C來表示，表達式為C=Q/U。

師：對于不同電容器，定值不同，所以C的大小只與電容器本身有關(guān)，與Q和U無關(guān)。那我們能說電容C和電荷量Q成正比和電勢差成反比么？

生：不能，因為電容C只取決于電容器本身。

師：對的，這個電容有什么物理意義呢？生：是表示電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量。

師：電容的單位是法拉，簡稱法，符號是F。如果一個電容器帶1C電量時，兩極板間電勢差為1V，這個電容器的電容就為1F。法拉的單位很大，所以生活中常用兩個比較小的單位，微法（uF）、皮法（pF）。1F=106μF=1012 nF

4.學(xué)以致用 鞏固提高

師：一開始老師做的實驗中的觸電現(xiàn)象是如何實現(xiàn)的呢？生：是一個簡易版電容器。

師：沒錯，老師在里面也添加了一層鋁箔，并加上中間的絕緣物質(zhì)——塑料，構(gòu)成了電容器，再利用摩擦起電的方式給電容器充電。正是因為電容器具有儲存電荷的功能，所以我們剛才在觸摸小球時會有觸電的現(xiàn)象。

通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們知道了電容器的構(gòu)造以及充放電過程，還知道了電容的概念、物理意義以及定義式。

作業(yè)：查找資料，了解生活中還有哪些電容器的應(yīng)用;自制萊頓瓶，下節(jié)課進行展示。

七、板書設(shè)計

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]劉健智，任佩璐.電容器的電容教學(xué)設(shè)計[J].湖南中學(xué)物理，2018（10）.

*通訊作者：姜虎軍。