Усі уроки фізики 10 клас ІI семестр - Рівень стандарт - 2018 рік

Розділ IV. Електричне поле

УРОК № 102 / IV-9. ЕЛЕКТРОЄМНІСТЬ. ЕЛЕКТРОЄМНІСТЬ ПЛОСКОГО КОНДЕНСАТОРА. З'ЄДНАННЯ КОНДЕНСАТОРІВ

Мета: 1) сформувати уявлення про прилади, у яких накопичується електрична енергія, ввести поняття електроємності, вивести формули електроємності плоского конденсатора, формули для розрахунку загальної ємності системи плоских конденсаторів та сприяти розвитку вмінь застосовувати ці формули для розрахункових задач з означеної теми;

2) продовжити розвиток інформаційної компетентності учнів, а саме кодування текстової інформації та навпаки, сприяти розвитку вміння спостерігати, класифікувати, складати стислий конспект навчального матеріалу;

3) сприяти формуванню уважності під час складання опорного конспекту, формуванню комунікативної компетентності учнів.

Очікувані результати: учні знають: поняття електроємності, формулу електроємності плоского конденсатора, формули для визначення загальної ємності системи плоских конденсаторів.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ХІД УРОКУ

I. ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ МОМЕНТ 1 хв

II. ПЕРЕВІРКА ДОМАШНЬОГО ЗАВДАННЯ, ВИКОНАННЯ ТЕСТОВИХ ЗАВДАНЬ 3 хв

III. ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Дослідження властивості тіла накопичувати заряди

Дослід 1. Дві металеві пластини, закріплені на ізолювальних підставках, розміщуємо паралельно одна одній і приєднуємо до електрометра. Одну з пластин заземляємо.

Одній з пластин надаємо позитивного заряду q. Друга отримає через вплив негативний заряд -q. Електрометр покаже різницю потенціалів між пластинами.

Надамо першій пластині позитивного заряд q у той же спосіб, доторкнувшись наелектризованою кулею. Тепер на пластинах заряди 2q і -2q. Показники електрометра збільшились вдвічі.

Не змінюючи зарядів, почнемо зближувати пластини. Напруга між пластинами зменшуватиметься. На деякій відстані вона стане такою, якою була за зарядів q і -q. Припинимо наближення пластин і знову першій пластині надамо додаткового заряду q. Показники електрометра знову збільшаться. За подальшого наближення пластин, помічаємо, що на деякій відстані, ще меншій, між ними електрометр знову-таки покаже попередню різницю потенціалів. Отже, зсуваючи пластини конденсатора, можна за однієї і тієї ж напруги накопичувати на одній пластині додатні заряди q, 2q, 3q,..., а на другій — рівні за модулем від’ємні заряди. Конденсатор накопичує заряди: поверхнева густина зарядів збільшується зі зближенням пластин.

· Властивість конденсатора накопичувати і зберігати електричні заряди і пов’язане з ними електричне поле характеризується особливою величиною, названою електроємністю.

Дослід 2. Торкаючись однаково зарядженими кулями зовнішнього боку пластини конденсатора, надаємо цій пластині послідовно по заряду q. Зауважимо, що зі збільшенням заряду зростає напруга між пластинами. Причому за зарядах q, 2q, 3q,... напруга приймає значення U, 2U, 3U,..., зростаючи пропорційно заряду. Але відношення заряду до напруги залишається постійним:

Проведемо такі ж досліди з конденсатором, пластини якого мають більшу площу; відстань між пластинами зробимо такою ж. Збільшуючи заряд однієї з пластин на q, тобто роблячи його рівним 2q, 3q,..., помітимо, що напруга між пластинами приймає значення

Для того щоб другий конденсатор зарядити до такої ж напруги, як і перший, йому потрібно надати більшого заряду. Другий конденсатор має більшу електричну ємність, тобто другому конденсатору відповідає більше значення відношення заряду до напруги. Отже, величина C характеризує електричну ємність конденсатора.

Дослід 3. Крім того, електрична ємність конденсатора залежить від роду діелектрика, що міститься між пластинами. Внесемо у простір між пластинами зарядженого конденсатора лист якогось діелектрика. Побачимо, що напруга між пластинами зменшилась. Значить, електрична ємність конденсатора збільшилась (C ~ ε).

2. Що таке електроємність?

· Електроємність відокремленого провідника C — скалярна величина, що характеризує здатність провідника накопичувати заряд і дорівнює відношенню значення q електричного заряду до його потенціалу φ:

Одиницею електроємності в СІ є На честь англійського фізика М. Фарадея цю одиницю названо фарадом (Ф).

1 фарад — ємність провідника, у якого зміна заряду на 1 Кл спричиняє зміну потенціалу на 1 В.

Для практичних цілей використовують малі частки фарада:

1 мкФ = 10^-6 Ф, 1 пФ = 10^-12 Ф.

3. Конденсатор

Виявилося, що для накопичення зарядів зручно використовувати два провідники, яким передають заряди протилежних знаків, однакових за модулем.

· Конденсатор — це два провідники (обкладки), розділені шаром діелектрика, товщина якого набагато менша від розмірів провідників.

Схематично конденсатор зображають так

Зарядом конденсатора q називають модуль заряду однієї з його обкладок (сумарний заряд обох обкладок дорівнює нулю). Заряд конденсатора визначає напруга на цьому конденсаторі (різниця потенціалів між двома обкладками).

· Електроємність конденсатора C — скалярна величина, що характеризує здатність конденсатора накопичувати заряд і дорівнює відношенню значення заряду q однієї з обкладок до різниці потенціалів (φ₁ - φ₂):

4. Електроємність плоского конденсатора

Плоский конденсатор є системою з двох плоских паралельних пластин площею S кожна. Відстань між пластинами d набагато менша від їхніх лінійних розмірів.

Електроємність плоского конденсатора визначають за формулою:

Оскільки відстань d між пластинами можна зробити дуже малою, електроємність плоского конденсатора може бути доволі значною.

5. Як обчислити електроємність батареї конденсаторів?

Розглянемо батарею, що складається із трьох конденсаторів ємностями С₁, C₂, C₃ відповідно.

У випадку паралельного з’єднання конденсаторів позитивно заряджені обкладки всіх конденсаторів з’єднують в один вузол, а негативно заряджені — в інший. У цьому випадку загальний заряд qбатареї конденсаторів дорівнює:

q = q₁ + q₂ + q₃.

З’єднані в один вузол обкладки є єдиним провідником, тому різниця потенціалів (напруга) між обкладками всіх конденсаторів однакова:

U = U₁ = U₂ = U₃.

Оскільки q = CU, q₁ = C₁U, q₂ = C₂U, q₃ = C₃U, то

CU = C₁U + C₂U + C₃U.

Отже, електроємність батареї конденсаторів:

C = C₁ + C₂ + C₃.

У випадку послідовного з'єднання конденсатори з’єднують між собою різнойменно зарядженими обкладками.

У цьому випадку потенціали різнойменно заряджених обкладок, розташованих поряд конденсаторів, однакові.

За послідовного з’єднання конденсаторів заряд усіх конденсаторів однаковий, тому що, наприклад, права пластина конденсатора C₁ й ліва пластина конденсатора C₂ утворюють замкнуту систему, повний заряд якої дорівнює нулю. Отже,

q = q₁ = q₂ = q₃.

Напруга на батареї послідовно з’єднаних конденсаторів дорівнює: U = U₁ + U₂ + U₃.

Оскільки

Отже, електроємність батареї конденсаторів:

Якщо батарея конденсаторів містить n паралельно з’єднаних конденсаторів електроємністю C’ кожний, то:

C = nC’.

Якщо батарея конденсаторів містить n послідовно з’єднаних конденсаторів електроємністю C’ кожний, то:

Запитання до учнів у ході викладу нового матеріалу

1. Що таке відокремлений провідник?

2. Від чого залежить електроємність?

3. Що відбудеться з різницею потенціалів на пластинах зарядженого конденсатора, якщо зменшити відстань між ними?

4. Що відбудеться з різницею потенціалів на пластинах зарядженого конденсатора, якщо площу пластин збільшити?

5. Чи правильним є твердження: під зарядом конденсатора розуміють суму зарядів його обкладок?

6. Чи зміниться різниця потенціалів пластин плоского повітряного конденсатора, якщо одну з них заземлити?

IV. ЗАКРІПЛЕННЯ ЗНАНЬ УЧНІВ

1. У скільки разів зміниться ємність плоского конденсатора, якщо збільшити робочу площу пластин у 2 рази?

2. Відстань між пластинами плоского конденсатора збільшили в 4 рази. Як змінилася ємність конденсатора?

3. Для чого простір між обкладками конденсатора заповнюють діелектриком?

Задача 1

Визначте сумарну ємність батареї конденсаторів.

Задача 2

У скільки разів зміниться ємність плоского конденсатора, якщо між обкладками розташувати дві тонкі металеві пластини? Якщо з’єднати їх провідником?

V. ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

1. Вивчити відповідний параграф підручника, конспект уроку, відповісти на запитання після параграфа, виконати завдання за задачником.

2. Розв’язати задачі.

1). Чотири однакових конденсатори з’єднані в одному випадку паралельно, а в іншому — послідовно. У якому випадку ємність батареї конденсаторів більша й у скільки разів?

2). Два конденсатори ємностями 2 і 1 мкФ з’єднані послідовно й підключені до джерела напругою 120 В. Визначте напругу між обкладками першого й напругу між обкладками другого конденсаторів.