高二物理 含有电容器的直流电路教案 新人教版选修31.docx
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高二物理含有电容器的直流电路教案新人教版选修31
2019-2020年高二物理含有电容器的直流电路教案新人教版选修3-1
一、教学目的
1.通过实验和例题的计算理解在直流电路中加入电容器对电路的影响。
2.学会利用比较的方法来判断电路动态变化问题。
二、重点和难点
1.重点:
含电容电路的计算。
2.难点:
①稳定状态下,电容支路上的电阻无电压降;②对电容充放电过程的理解及充放电量的计算。
三、教具
电流表,电压表,三个电阻,电容器一个,开头一个,干电池两节,导线。
四、主要教学过程
(一)引入新课
复习直流电路的相关知识。
1.全电路欧姆定律I=E/(R+r)
2.电阻串并联的基本特性。
练习:
如图,R1=4Ω,R2=6Ω,R3=3Ω,E=100.5Ω,r=0。
求S1闭合前后U1/Uˊ1=?
(6/7)
如果把R3支路加上一个C=30uF的电容器,又会怎样?
为此,我们来复习一下电容器的有关知识。
1.电容的定义:
C=Q/U=ΔQ/ΔU
2.能充上电的条件是电容器接在与其有电势差的电路上。
电路有变化时,如电路中S打开、闭合时,我们怎么去讨论?
(二)教学过程
例1.如图,求:
(1)闭合开关S,求稳定后通过R1的电流;(2)将开关S断开,求这以后通过R1的总电量。
分析:
(1)S断开状态:
(目前状态)
提问:
①电势的高低情况;②电流的情况;③电容器极板带电情况。
请学生逐一回答。
在图上用不同颜色的粉笔标明电势的不同。
问:
进一步提问,为什么这样?
R1两端的电势是否相同?
答:
R1两端电势相同。
因为没有构成回路,所以电路中各处电流强度均为零,所以可画出等势的情况及带电情况。
问:
为什么电流强度为零?
答:
因为有电流的一个重要条件就是有电势差。
必须明确的一点:
在电路刚接上时,相当于把电容器接在了电源上,即有一定的电势差,所以此时有瞬时的电流,当储电完毕时,不能再往里装电荷了,所以不再有电流。
这样,就可得刚才得到的结论,前提是S断开达到稳定状态时。
此时UC=E=10VU1=0V。
闭合开关会出现什么现象?
提示:
电容器带电量发生了变化,由此我们可以判断电流的情况?
请学生分析。
此时,形成了闭合电路,稳定后UC=UR2=6V,即R3、C支路可视为断路。
U1=4V,也就是说电容器的带电量减少了,它要放电,有一系列的调整过程,最终达到稳定,再次画出等电势的情况。
Q=CUC=CU2=3X10-5X6=1.8X10-4C
通过R1的电流:
I=E/(R1+R2)=10/10=1A
(2)再将开关断开,会出现什么变化?
肯定会有电量的改变,但最终稳定后,又相当于将电容器接在了电源上,与开始分析的那个状态是一致的。
Qˊ=CU=CE=3X10-5X10=3.0X10-4C
问:
电量增加了,谁提供的?
答:
应是电源提供的,多出的电量均从电源通过R1提供,充完电后,又无电流。
故断开S,通过R1的总电量为ΔQ=QˊQ=1.2X10-4C
提问:
R3对计算有无影响?
答:
没有,因为稳定后无电流流过该支路,所以UR=IR3=0。
是不是这样,可以用一个实验来看看。
介绍实验电路图:
这个电路与例题中的电路差不多,只是把R3换成一电流表,充当一个电阻,R1、R2换成灯泡L1、L2。
操作及观察到的现象:
1.电路连接好,打开S,把C再接入,会看到电流表指针向右偏一下,说明有瞬时电流,属于充电过程。
2.接通S,电流表指针向左偏,然后回到零位置,L1、L2灯亮,说明电容器放电,再用电压表连接两表笔,分别涮UAB,UBD,会发现UAB=UBD,说明A、B点等势,也就是说,电路中接不接R3,在计算电量时效果是相同的。
3.断开开关,现象是电流表指针向右偏说明电容器又被充电,进而也可知电容器两极板间的电压在增大。
小结:
1.充放电是一个动态变化过程,求电量的增量只需找两个稳定态,则ΔQ=Q前Q后。
2.两极板间如果电压增大,则电容器被充电;两极板间如果电压减小,则电容器被放电。
以上研究的是极板上电量的变化,那么如果是平行板电容器,充电后,则在两板间存在一个静电场,可以利用该电场使带电粒子加速或偏转。
例2.如图所示电路,平行板电容器极板水平放置,今有一质量为m的带电油滴悬浮在两板之间静止不动,现要油滴向上运动,可采用的方法是_____________。
分析:
该电路图可以改画成如下形式:
问:
由题目给的已知条件,可以知道些什么?
答:
因为油滴静止不动,故qE=mg
由电路情况可知,两极板带电情况为上+下(画出等势部分),所以油滴带负电,还可以知道UC=UR4
问:
电容器取下,对电路有无影响?
答:
没有影响,因为此电路稳定后可视为断路。
问:
现要使油滴上移,实质上是要判断什么?
答:
因为油滴受两个力,而mg恒定不变,所以只需qE↓,而最终是要R4两端电压增大。
请同学分析,若R1增大,结果如何?
在学生回答同时,给出关系图。
R1↑→I↑→UCD↓ICM↓→IMD↑→UMD↑→UMC↓
还有没有其它可行的方法?
最终答案:
R1↓或R2↑或R3↓。
(三)课后小结
今天这节课我们所研究的是含有电容器的直流电路,对于电容器的作用可从两方面来说:
①利用其电场;②利用电容器对电路的某种调节作用。
当电路某部分变化时,电路中的电流往往也会随之变化,且是很复杂的,我们无法研究这个过程中的细节问题。
研究它的方法,我们只能采用抓住稳态过程进行对比,来判断其变化。
如果要计算实际的量值,不妨就把有电容器的支路视为断路再计算,这样不会影响其结果。
五、说明
此专题是一个较为复杂的问题,采用实验可以使学生对它有较深的理解。
2019-2020年高二物理实验七测定金属的电阻率
【实验目的】
1.练习使用螺旋测微器;2.学会用伏安法测电阻;3.测定金属的电阻率。
【实验原理】
1.根据电阻定律有,金属的电阻率
因此,只要测出金属丝的长度l,横截面积S和导线的电阻R,就可以求出金属丝的电阻率ρ
①根据部分电路的欧姆定律可知R=U/I
只要测出金属丝两端的电压U和金属丝中的电流I,就可以测出金属丝的电阻.即用伏安法测出金属丝的电阻R
②金属丝的长度l可以用米尺测量.
③金属丝的横截面积S由金属丝的直径d算出,即S=πd2/4.由于金属丝的直径较小,因此需要用比较精密的测量长度的仪器——螺旋测微器来测量.这就是本实验的实验原理.
若用实验中直接测出的物理量来表示电阻率,则金属丝的电阻率的表达式为
2.在测定金属线的电阻时,为了防止金属线过热造成金属线的长度及电阻率的变化,因此,流过金属线的电流不宜太大.则当电流表具有0~0.6A和0~3A两种量程时,应当选用哪个量程?
如果被测金属线电阻约5Ω,电压表具有0~3V和0~15V两种量程,应当选用哪个量程?
分析:
电流表选0~0.6A
电压表选0~3V
3.在图3中,电流表选用0~0.6A量程,电压表选用0~3V量程,则各指针所指示的分别为:
I是0.35A,Ⅱ是0.50A;Ⅲ是1.20V,Ⅳ是2.00V.
(由于被测金属丝的电阻较小,一般为5Ω~10Ω,电压表3V档的内阻约为3kΩ,电流表0.6A档的内阻约为0.1Ω,所以测量电路应采用电流表外接法.为了调节金属丝两端的电压,应选用滑动变阻器,根据本实验的实际情况,可采用滑动变阻器的限流接法.)
4.图4提供测电阻所用的实验器材,请将它们用线连接成所需的实验电路;并将变阻器的滑动片移到阻值最大的位置(用“↓”表示).
5.实验中所使用的刻度尺的最小刻度是1mm,则它的测量结果可以准确到1mm,读数时应当读到0.1mm位.下图中,(A)的测量结果是0.1546m,(B)的测量结果是0.4500m.
6.螺旋测微器的构造、原理、读数方法
(1)CAI课件模拟螺旋测微器的构造:
螺旋测微器是由:
测砧A、固定刻度B、尺架C、可动刻度E、旋钮D、微调旋钮D`、测微螺杆F构成的.
(2)CAI课件模拟螺旋测微器的原理
螺旋测微器的螺距是0.5mm,可动刻度一周为50格;旋钮D每旋转一周,测微螺杆F前进或后退0.5mm.因此,旋钮D每转过l格,测微螺杆F前进或后退0.01mm.可见螺旋测微器的精确度为0.01mm.
(3)CAI课件模拟螺旋测微器的操作与读数.
使用螺旋测微器时,将被测物体放在小砧A和测微螺杆F之间,先调节旋钮D,在测微螺杆F快靠近被测物体时,改用微调旋钮D,,这样不致于在测微螺杆和被测物体之间产生过大的压力,既可以保护仪器,又能保证测量结果的准确性.当听到咔咔的声音时停止转动,并用止动螺旋止动.
读数时,被测物体长度大于o.5mm的部分在固定刻度上读出,不足o.5mm的部分在可动刻度上读出,读可动刻度示数时,还要注意估读一位数字.螺旋测微器的读数可用下面公式表示:
螺旋测微器的读数=固定刻度上的读数+可动刻度上的格数×精确度o.01mm
(4)CAI课件模拟螺旋测微器测量几种金属丝的直径,学生练习读数.A.4.365mmB.4.090mmC.0.690mmD.0.987mm
7.注意事项
⑴实验中先对测量仪器、仪表进行检查;观察电表的指针是否指在零刻度,如果有偏差,应当用小螺丝刀轻轻转动表头下方正中央的小螺丝,直到指针指在零刻度为止,或请老师帮忙调整;当螺旋测微器的测帖A和螺杆F并拢时,可动刻度E的零点应该恰好跟固定刻度B零点重合,如果不重合,就存在“零误差”,在测量时如何处理它可以向老师请教.
⑵使用螺旋测微器中,当F快要接近被测物体时,要停止使用大旋钮D,改用微调旋钮D`,这样就不至于在F和被测物体之间产生过大的压力,既可以保护仪器又能保证测量结果的准确.
⑶在连接电路之前,应当适当安排仪器的位置,做到既要方便连线,又要使经常操作的仪器(如滑动变阻器)方便操作,经常观察的仪表(如电表)便于读数.图1的排列就考虑到这个要求可供参考.
⑷连线之前应先断开开关,闭合开关之前要使滑动变阻器的滑动片位于阻值最大的位置.拆除电路时,应首先拆去电源连线,然后再拆其他连线,并整理好仪器.
⑸L、d测多次,求平均值
⑹通电电流不宜过大,时间不宜过长
【步骤规范】
实验步骤
操作规范
一.测量金属导线的直径
1.观察螺旋测微器两小砧合拢时,可动刻度上的零刻度线和固定刻度上的零刻度线是否重合,观察螺旋测微器的最小分度值
2.将金属导线放在螺旋测微器的小砧和测微螺杆之间,正确操作螺旋测微器,测出金属导线的直径
3.在金属导线的不同位置、不同方向上,再测两次,求出平均值
1.螺旋测微器的最小分度是0.01mm,应估读到0.001mm
2.⑴螺旋测微器的正确握法是:
用左手食指侧面和大拇指握住框架塑料防热片的左侧,用右手大拇指和食指旋动旋钮
⑵调节旋钮时,应先用粗调旋钮,使小砧与金属导线接近,然后改用微调旋钮推进活动小砧,当听到棘轮打滑空转并发出“咯咯”声时,才可读数
⑶读数时,先读出固定刻度上的毫米整数部分(注意半毫米刻度线是否露出),再读出可动刻度的值(如半毫米刻度线已露出,应加上0.500mm),作后读出估读值
二.用伏安法测金属导线的电阻
1.对电流表、电压表进行机械调零
2.将金属导线拉直,固定在木条上
3.按图连接电路
4.闭合电键,调节滑动变阻器,读取三组I、U值
5.计算三组I、U值对应的电阻值,取其平均值
1.若表针不在零位,用螺旋刀旋动机械调零螺钉,使其对正
2.⑴连接电路前,先布列仪器,使其位置合适,然后先电阻、后电表依次连接电路,电源最后接
⑵电键接入电路时,应处于断开位置
⑶闭合电键前,变阻器阻值应最大
⑷导线的连接处必须在接线柱上(无“丁”字形接线)
3.⑴电流表、电压表量程合适
⑵每次实验通电时间不宜过长,电流不宜过大,并应及时切断电源
⑶I、U值读数准确,有估读。
三.测量金属导线的长度
1.用毫米刻度尺测量固定在木条上连入电路中的金属导线的长度
2.以毫米刻度尺的不同起点再测两次
3.算出金属导线长度平均值
测量时,刻度尺的刻度应贴近金属导线;视线要跟尺垂直;有估读(即读出0.1mm)
四.拆除电路,仪器复原
电源必须先拆
【典型例题】
例1在“测定金属电阻率”的实验中,若被测电阻丝的长度为80.00cm,电阻约为3Ω~4Ω,在下列器材中应选用的是(写代号).
A.电压表(0~15V);B.电压表(0~3V);C.电流表(0~0.6A);D.电流表(0~3A);E.滑动变阻器(0~50Ω,2A);F滑动变阻器(0~500Ω,1A);G.电源(E=3V,r=0.2Ω);H电源(E=10V,r=lΩ);I.开关;J.导线(若干).
答案.BCEGIJ
例2测定金属电阻率的实验中,
(1)如图2(a)为测金属丝直径时螺旋测微器的示意图,则此金属丝的直径为m;
(2)如图2(b)为用伏安法测金属丝电阻的电路图,其中M为,N为;若两表示数分别如图2(C)、(d)所示,则被测金属丝的电阻R测=;(3)用以上方法测得的金属丝电阻率与其实际值比较是.(填“偏小”、“偏大”或“准确”)
答案:
(1)5.9×10-2m
(2)电流表电压表5Ω
(3)偏小
例3在测定金属丝的直径时,螺旋测微器的读数如图3所示,可知该金属丝的直径d=______×10-3m。
答案:
.0.900
例4(06四川卷)在“测定金属的电阻率”实验中,需要测量金属丝的长度和直径。
现用最小分度为1mm的米尺测量金属丝长度,图中箭头所指位置是拉直的金属丝两端在米尺上相对应的位置,测得的金属丝长度为mm。
在测量金属丝直径时,如果受条件限制,身边只有米尺1把和圆柱形铅笔1支。
如何较准确地测量金属丝的直径?
请简述测量方法:
答案:
在铅笔上紧密排绕金属丝N匝,用米尺量出该N匝金属丝的宽度D,由此可以计算得出金属丝的平均直径为D/N
实验七:
测定金属的电阻率练习
1.有一个阻值约为5kΩ的电阻,现用伏安法较准确的测定它的电阻值,可供选用的电流表量程为50mA,内阻为20Ω,电压表量程为5V,内阻为10kΩ,为减少误差,实验时应选用哪种电路为好?
()
2.在测定金属丝的电阻率实验中,用螺旋测微器测量金属丝的直径,如图所示,由图读出金属丝的直径是_________.
3.如图是伏安法测电阻的电路,其中电压表示数为100V,
电流表示数为0.4A,由此得出的电阻值为_________Ω。
若电
压表的内阻为1250Ω,则被测电阻的真实值应为________Ω。
4.用零点准确的螺旋测微器测量某物长度,被测物的长度如图4
(1)可读为___________,
图4
(2)可读为_____________.
5.图5为用伏安法测量一个定值电阻阻值的实验所需的器材实物图,器材规格如下:
(1)待测电阻Rx(约100Ω);
(2)直流毫安表(量程0~10毫安,内阻50Ω)
(3)直流电压表(量程0~3V,内阻5kΩ);
(4)直流电源(输出电压4V,内阻可不计);
(5)滑动变阻器(阻值范围0~15Ω,允许最大电流1A);
(6)电键一个,导线若干条.
根据器材的规格和实验要求,在本题的实物图上连线.
6.如图6,a、b、c、d是滑动变阻器的四个接线柱.现把此变阻器串联接入电路中,并要求滑片向c移动时,电路中电流减小.则接入电路的接线柱可能是[]
A.a和bB.a和cC.b和cD.b和d
7.如图7千分尺的读数应是___________mm.
8.如右图8所示为螺旋测微器测量小球的直径时的示数,这个小球的直径应是_________mm.
9.在“测定金属电阻率”的实验中,用千分尺测量金属丝的直径,利用伏安法测量金属丝的电阻,千分尺示数及电流表、电压表的示数都如图9所示,则可读出该金属丝的直径是_________mm,金属丝的电阻值_________Ω(本空要求两位有效数字)。
除此以外,还需要测量的物理量是_________.
图
10.某学生准备用伏安法测定一个未知电阻的阻值,实验中他的实物接线如图10所示.
(1)指出该学生实物接线中的错误;
(2)根据纠正错误以后的实物接线图,画出与之对应的原理电路图.
11.用伏安法测一个未知电阻Rx的阻值.已知Rx约为200Ω.
所用仪器规格如下:
电压表(15V,15kΩ);电流表(0.6A,0.1Ω);
变阻器R1:
(0~500Ω);变阻器R2:
(0~20Ω);合适的电源以及电键、导线等.
(1)画出实验电路图.
(2)要求调节滑动变阻器使电路中电流强度变化较明显,应选用哪一个变阻器?
答:
____________________________________________.
(3)按上述电路测得的Rx值比真实值________________.
12.用伏安法测一段金属丝的电阻,所用的仪器如图12所示,其中电压表的内阻约2KΩ,电流表的内阻约1Ω,滑动变阻器标有10Ω、1A,蓄电池的电动势6.0V,内电阻0.2Ω。
测得的数据如表所示:
在坐标图上按所给的标度做出I-U图象,并计算出电阻的大小是______.在图中将所给的器件用铅笔线代表导线连成实验电路。
13.某同学在做测定小灯泡功率的实验中得到如下一组U和I的数据:
①在右图上画出I-U图线.
②从图线上可以看出,当功率逐渐增大时,灯丝电阻的变化情况是:
________________________________________________________.
③这表明导体的电阻随温度升___.
14.在测定金属的电阻率的实验中:
(1)用螺旋测微器测金属丝的直径如图所示,则该金属丝的直径为___mm.
(2)已知电阻丝的电阻约为10Ω,现备有下列器材供测量该电阻丝
电阻时选用,应选用的器材有________________.(只填代号)
A.量程是0.6A、内阻为0.5Ω的安培计B.量程是3A、内阻为0.1Ω的安培计
C.量程是3V、内阻为6kΩ的伏特计D.量程是15V、内阻为30kΩ的伏特计
E.阻值为0-1kΩ,额定电流为0.5A的滑动变阻器
F.阻值为0-20Ω,额定电流为2A的滑动变阻器
G.蓄电池(6V)H.开关一个,导线若干
(3)在下面虚线框内画出用伏安法测上述电阻丝电阻的电路图。
15.用伏安法较准确地测定一个待测电阻Rx(约200Ω)的阻值,可供选择的器材有
A.毫安表(0—10mA,内阻50Ω)B.安培表(0—0.6A,内阻0.5Ω)
C.伏特表(0—3V,内阻5kΩ)D.伏特表(0—15V,内阻20kΩ)
E.电源(6V,内阻不计)F.滑动变阻器(0—20Ω,允许最大电流1A)
G.电键一个,导线若干。
(1)上述器材中,电流表应选用________;电压表应选用________。
(填写各电表的字母代号)
(2)根据器材的规格和实验要求,在本题的实物图上连线。
16.(96上海)图16所示,P是一根表面均匀的镀有很薄的发热电阻膜的长陶瓷
管(其长度L为50cm左右,直径D为10cm左右),镀膜材料的电阻率ρ已知,管的两端有导电箍MN.现给米尺、电压表V、电流表A、电源E、滑动变阻器R、电键S和若干导线,请设计一个测定膜层厚度d的试验方案。
⑴实验中应测定的物理量是。
⑵在虚线框内用符号画出测量电路图。
⑶计算膜层厚度的公式是。
实验七:
测定金属的电阻率答案
1.B2.0.800mm3.250,312.54.2.048mm;4.605mm
5.图略.65.150(±0.002都算对)
7.1.40014.3金属丝的长度8.CD
9.2.700
10.D;C;外
11.DE(电流表外接、滑线变阻器接分压电路)
电路接线图略.
12.①见图(从原点画起不扣分)
②开始不变,后来逐渐增大
③增大
13.如图所示(2分)
5.2Ω(2分)
电路图略(3分)
说明:
电阻值无单位或只给1位有效数字的扣1分;电路图连接中滑动变阻器要采用分压式连接,电流表要外接,电表正负接线要正确。
14.0.350;ACFGH;电路图略(8分)
15.
(1)B;D
(2)
16.
(1)LDUI;
(2)略(3)d=LρI/πDU
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