Конспект урока «Конденсаторы. Энергия электрического поля.» по физике

ПЛАН – КОНСПЕКТ УРОКА

Тема: Конденсаторы. Энергия электрического поля.

Цели урока: 1.Знакомстро учащихся с конденсаторами – накопителями энергии электрического поля, их основными характеристиками.

2.Научить учащихся решать задачи по данной теме, подготовка к ЕГЭ.

3.Показать практическую значимость данного материала.

Приборы и материалы : разборный конденсатор, штативы, соединительные провода, источник тока, различные виды конденсаторов, батарея конденсаторов, презентация «Конденсаторы».

ХОД УРОКА:

1.Подготовка к восприятию нового материала:

Фронтальная беседа с классом:

1.В чем заключается принцип суперпозиции полей?

2.Чему равна поверхностная плотность зарядов?

3.Как измерить разность потенциалов между двумя проводниками?

4.Почему диэлектрик ослабляет электростатическое поле?

5.Какой опыт доказывает отсутствие электрического поля внутри проводника?

2.Формирование новых знаний, умений, навыков:

Темой нашего сегодняшнего урока является «Конденсаторы. Энергия электростатического поля».

Вода может храниться в ведре, а с помощью чего можно накапливать и сохранять электрическую энергию? Исходя из темы, вы, наверное, догадались, что это устройство называется конденсатором (слайд 2).

Немного истории. В тысяча семьсот сорок пятом году в Лейдене голландский физик Питер Ван Мушенбрук совместно с немецким коллегой создали первый накопитель энергии и назвали его лейденской банкой (слайд 3)

Что же такое конденсатор? От латинского слова «уплотнение», «сгущение»- это устройство, предназначенное для накопления заряда и энергии электростатического поля( слайд 4)

Рассмотрим подробнее его устройство. Простейший плоский конденсатор состоит из двух одинаковых параллельных пластин (называемых обкладками), находящихся на малом расстоянии друг от друга и разделенных слоем диэлектрика. На пластины от источника питания подаются заряды одинаковые по модулю, но противоположные по знаку. Таким образом, между пластинами возникает разность потенциалов. Все электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора и однородно. Существует огромный природный конденсатор. Облако и Земля- это разноименные обкладки конденсатора. Молния- разряд конденсатора. Под зарядом конденсатора понимают абсолютное значение одной из обкладок (слайд 5)

Присутствие конденсатора в радиотехническом или электротехническом устройстве можно узнать по обозначениям. Даны обозначения конденсатора постоянной и переменной емкость(слайд 6)

Выясним, что является основной характеристикой конденсатора. Это электрическая емкость (электроемкость), которая обозначается буквой С. Электроемкость- это физическая величина, характеризующая способность двух проводников накапливать электрический заряд. Единица электроемкости в системе СИ названа в честь великого ученого Майкла Фарадея и называется фарад. Электроемкость двух проводников равна одному фараду, если при сообщении им заряда в один кулон между ними возникает разность потенциалов один вольт. Один фарад - это очень большая величина, поэтому на практике используют мкФ, нФ, пФ. (слайд 7)

Рассмотрим , как характеристики конденсатора выглядят на языке формул. Электроемкость двух проводников – это отношение заряда проводника к разности потенциалов между ними.

С =q/U

Но электроемкость не зависит ни от сообщенного проводникам заряда, ни от возникающей между ними разности потенциалов. Емкость конденсатора определяется геометрическими размерами проводников, формой, расположением и , конечно, диэлектрической проницаемостью среды.

С= εε₀s/d (слайд 8)

Чтобы зарядить конденсатор, нужно совершить работу по разделению положительных и отрицательных зарядов. Согласно закону сохранения энергии эта работа равна энергии конденсатора, которую можно определить по трем, приведенным на слайде, формулам

W=q²/2С= СU²/2 =qU/2. (слайд 9)

На следующем слайде вы видите различные виды конденсаторов (слайд 10).

Все разнообразие конденсаторов можно разделить на два типа: по виду диэлектрика конденсаторы бывают вакуумные, воздушные, бумажные, стеклянные, электролитические и другие ( слайд 11)

А вот по возможности изменять емкость- это конденсаторы постоянной и переменной емкости, обозначения которых на схемах вам было представлено выше (слайд 12)

Для получения нужной электроемкости конденсаторы можно соединять в батареи, используя последовательный и параллельный способ, как в случае с резисторами. Рассмотрим параллельный способ соединения конденсаторов. Если заряд на обкладке первого конденсатора обозначим q₁, а на обкладке второго- через q₂, то по закону сохранения заряда общий заряд будет равен сумме зарядов q₁ и q₂. Разность потенциалов(напряжение) U между обкладками остается неизменной. Общая емкость конденсаторов при параллельном соединении равна сумме емкостей конденсаторов С₁ и С₂.

С_общ.=С₁+С₂

При последовательном соединении конденсаторов, суммарный заряд не меняется. Общая разность потенциалов на обкладках конденсаторов равна сумме разности потенциалов на концах первого и разности потенциалов на обкладках второго конденсатора Uобщ.=U₁ +U₂. При последовательном соединении складываются обратные величины емкостей :

1/С_общ.= 1/С₁+ 1/С₂

Найденная емкость конденсатора при последовательном соединении всегда меньше наименьшей емкости ( слайд 13)

Так как конденсаторы способны накапливать электрическую энергию, а затем ее мгновенно отдавать, то они имеют широкую область применения: 1)радиотехника и электротехника

2) в фототехнике всем известная фотовспышка.

3) в лазерной технике.

4) в элементах памяти ЭВМ и любимом вами компьютере. Ведь под крышками цифр и символов клавиатуры компьютера стоят конденсаторы. 5)конденсатор нашел применение при измерении влажности воздуха и древесины,

6) в системе защиты от короткого замыкания.

Таким образом, вы видите насколько прочно вошли в нашу жизнь эти накопители энергии- конденсаторы. Но следует помнить, что заряженный конденсатор опасен для жизни! (слайд 14)

Рассмотрим некоторые типы задач, которые встречались на ЕГЭ в прошлые годы слайды ( 15-21)

Таким образом, мы с вами рассмотрели назначение, основные характеристики, способы соединения конденсаторов, разобрали несколько видов задач. Теперь у вас наверняка не возникнет практических проблем при встрече с конденсаторами.

2.Закрепление:

Самостоятельная работа (см. текст в разделе Самостоятельная работа)

3.Домашнее задание:

§99-101.стр.285-286 разобрать задачи, упр.18 ( письменно) учебник « Физика -10», Г.Я. Мякишев , Б.Б. Буховцев , Н.Н.Сотский

Литература для учащихся

1.Аганов А.В. и др. Физика вокруг нас , Изд-во Казанского университета,1996г

2.Власова И.Г. Решение задач по физике ( справочник школьника) - М.: Филологическое общество «Слово», 1996г.

Кабардин О.Ф. Физика Справочные материалы – М, : Просвещение,1988.

3.Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики том.2- М.: АОЗТ «Шрайк»,1995.

4.Мякишев Г.Я. и др. Учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений – М.: Просвещение,2008.

5.Тульчинский М.Е. Качественные задачи по физике в средней школе. – М. :Просвещение 1972.

6.типовые тестовые задания ЕГЭ -2009 год О.Ф.Кабардин и др.,М, Экзамен,2009г

7.Подготовка к ЕГЭ-2010 под ред. Монастырского ,Ростов-на-Дону, Легион 2009.

8.Варианты тестовых заданий по подготовке к ЕГЭ (ФИПИ) прошлых лет.

9.Интернет ресурсы. Режим доступа: wwwfipi.ru

Задачи для самостоятельной работы

1.Емкость конденсатора – это

1) объем пространства между пластинами

2) суммарный объем его пластин

3) отношение суммарного заряда на пластинах к разности потенциалов между пластинами

4) отношение модуля заряда на одной из пластин к разности потенциалов между ними

2.Расстояние d между обкладками плоского воздушного конденсатора увеличили в 2 раза, а пространство между обкладками заполнили парафином. Диэлектрическая проницаемость парафина ε = 2. Как изменилась емкость конденсатора?

1) увеличилась в 4 раза 3) не изменилась

2)уменьшилась в 4 раза 4) увеличилась в 2 раза

3.Конденсатор емкостью 0,01 Ф заряжен до напряжения 20 В. Какой энергией обладает конденсатор?

1) 0,1 Дж 2) 0,2 Дж 3) 2 Дж 4) 4 Дж

4.Если заряд на конденсаторе постоянной емкости увеличить в 2 раза, то энергия электрического поля конденсатора :

1) не изменится 3) уменьшится в 2 раза

2) увеличится в 2 раза 4) увеличится в 4 раза

5.Воздушный конденсатор емкостью С заполняют диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε = 2. Конденсатор какой емкости надо включить последовательно с данным, чтобы получившаяся батарея тоже имела емкость С?

1) С 2) 2С 3) 3С 4) 4С

6.Разность потенциалов между пластинами плоского конденсатора, расстояние между которыми 4 см и напряженность электрического поля между которыми 80 В/м, равна:

1) 320,0 В 2) 3,2 В 3) 20,0 В 4) 200,0 В

7. Отсоединенный от источника тока плоский воздушный конденсатор заряжен до разности потенциалов U. Если такой конденсатор заполнить диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε , то разность потенциалов между обкладками конденсатора станет равной:

1) ε U 2)( ε-1) U 3) U/( ε-1) 4) U/ ε

8(В).Плоский конденсатор подключили к источнику тока, а затем уменьшили расстояние между пластинами. Что произойдет при этом с зарядом и электроемкостью конденсатора?

К каждой позиции первого столбика подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Краевыми эффектами пренебречь, считая пластины конденсатора бесконечно большими. Диэлектрическую проницаемость воздуха принять равной 1.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ ИХ ИЗМЕНЕНИЕ

А) Заряд конденсатора 1)увеличится

Б)Электроемкость 2)уменьшится

3)не изменится

А

9(В).Два последовательно соединенных конденсатора (С₁=2 мкФ и С₂= 4 мкФ) присоединены к источнику постоянного напряжения U=120 В.Определить напряжение на первом конденсаторе.

10(С).Конденсаторы, электрическая емкость которых С₁= 4 мкФ и С₂= 8 мкФ, заряжают до напряжения 3 В каждый, а затем «плюс» одного из них подключают к «минусу» другого и соединяют свободные выводы резистором сопротивлением 1000 Ом. Какое количество теплоты выделится в резисторе?

Ответы:

1.верный ответ 4. (Задача требует четкого знания определения электроемкости конденсатора)

2. ответ 3 – не изменилась. Из формуле по определению электроемкости плоского конденсатора С = ε ε₀s/d видно, что при увеличении расстояния между обкладками d в 2 раза, электроемкость С уменьшится в 2 раза (обратно пропорциональная зависимость), и при увеличении ε в 2 раза ( так как у воздуха ε=1) С увеличивается в 2 раза (прямо пропорциональная зависимость). В результате электроемкость конденсатора С не изменилась.

3.Ответ 2 : 0,2 Дж. Воспользуемся формулой для энергии плоского конденсатора: W=СU²/2, получим верный ответ.

4.Ответ 4: увеличится в 4 раза. Применим формулу для энергии плоского конденсатор: W= q²/2С. Так как заряд увеличится в 2 раза, а он возводится в формуле в квадрат, то энергия увеличится в 4 раза.

5.Верный ответ 2: 2С. После заполнения диэлектриком емкость конденсатора стала 2С. Если включить последовательно с этим конденсатором конденсатор емкости С₁, то общая емкость батареи С_общ.= 2С· С₁/(2С+С₁). Откуда С₁=2С.

6. Верный ответ 2 : 3,2 В. В плоском конденсаторе электрическое поле однородное, и разность потенциалов между пластинами равна произведению напряженности поля на расстояние между пластинами, т.е. U = Е ·d

7.Верный ответ 4 : U/ ε. В это случае при отсоединении конденсатора от источника питания, заряд сохраняется. Электроемкость же возрастает в ε раз: С₁= εС. Поэтому U₁=СU/ εС=U/ ε

8.Верный ответ: А-1, Б-1. Так кА конденсатор подключен к источнику тока, то его заряд увеличивается. Но величина заряда не играет роли в значении электроемкости конденсатора. На электроемкость влияет уменьшение расстояния между пластинами. С = ε ε₀s/d . Из формулы видно, что электроемкость и расстояние между пластинами находятся в обратно пропорциональной зависимости.

9. Решение: При последовательном соединении конденсаторов q= q₁= q_2, т.е. заряды на обкладках конденсаторов равны . Но, с другой стороны, можно записать: q=С₁U₁=С₂ U₂ (1). Для данного вида соединения конденсаторов сумма напряжений U₁ и U₂ равна напряжению источника тока U : U =U₁ + U₂ . (2) В равенство (1) подставим значение U₂ из (2): U₂ =U - U₁ ;

С₁U₁=С₂ ( U - U₁). Из полученного уравнения находим напряжение на первом конденсаторе: U₁ = С₂U/(С₁+С₂). После подстановки численных значений получим ответ: 80 В.

10.Запишем выражение для начальной энергии конденсаторов:

W₁=( С₁+С₂)· U²/2. Запишем выражения для энергии конденсаторов после

Замыкания их через резистор: W₁= q₁²/2С₁+ q₂²/2С₂,где заряды на пластинках конденсаторов находятся из выражений : q₁+ q₂ = С₁U – С₂U и

q₁/С₁ = q₂/С₂, т.к. конденсаторы соединены параллельно. Отсюда следует, что q₁ = U С₁(С₁-С₂)/ С₁+С₂, q₂ = U С₂(С₁-С₂)/ С₁+С₂, а, следовательно,

W₂=( С₁-С₂)² U²/ 2(С₁+С₂). Выделившееся количество теплоты равно:

Q= W₁– W₂= 2С₁С₂ U²/ С₁+С_2. Q=48 мк Дж. Из итоговой формулы видно, что ответ не зависит от значения сопротивления резистора.

Вопросы для форума по теме « Конденсаторы. Энергия электростатического поля»

1.Изменится ли разность потенциалов пластин плоского воздушного конденсатора. Если одну из них заземлить.

2.Что произойдет с разностью потенциалов на пластинах заряженного конденсатора, если уменьшить расстояние между ними?

3.Три конденсатора, имеющие разные электроемкости, соединены в одну параллельную группу (батарею). Батарея заряжена. Отличаются ли разности потенциалов между обкладками отдельных конденсаторов? Одинаковы ли заряды конденсаторов?

4.В распоряжении радиолюбителя имеются два конденсатора одинаковой емкости. Как нужно соединить эти конденсаторы, чтобы получилась удвоенная емкость?

5.Воздушный конденсатор заряжается до некоторого потенциала и в заряженном состоянии заливается керосином, отчего энергия конденсатора уменьшается в ε раз. Куда «исчезает» остальная энергия?

Глоссарий

Лейденская банка

Диэлектрик

Разность потенциалов

Электростатическое поле