電容器的兩類重要問題例析

【摘要】高中物理電容器問題具有一定的抽象性，涉及的知識(shí)點(diǎn)零碎而且繁多，學(xué)生不能形成系統(tǒng)化的知識(shí)體系，因而導(dǎo)致電容器問題一直以來成為困擾學(xué)生的一個(gè)難點(diǎn).電容器問題涉及動(dòng)力學(xué)問題和能量問題，尤其對于學(xué)生的綜合分析推理能力要求較高，這就需要將涉及電容器的具體問題系統(tǒng)化，觸類旁通地融匯成穩(wěn)定的知識(shí)架構(gòu).本文從電容器涉及到的力、運(yùn)動(dòng)、能量等角度入手，剖析問題以及呈現(xiàn)解題的過程，進(jìn)而總結(jié)涉及電容器問題的解題思路和方法，提升學(xué)生對電容器問題的認(rèn)識(shí).

【關(guān)鍵詞】高中物理；電容器；解題技巧

1 電容器的構(gòu)造及分類

在物理學(xué)中，常用的電容器，從構(gòu)造上看，可以分為固定電容器和可變電容器兩類.固定電容器的電容是固定不變的.常用的有聚苯乙烯電容器和電解電容器[1].當(dāng)一個(gè)電容器被連接到電源上時(shí)，正電荷會(huì)聚集在一塊導(dǎo)體板上，負(fù)電荷聚集在另一塊導(dǎo)體板上，導(dǎo)致兩者之間形成電場.電容器的電容表示了電容器儲(chǔ)存電荷的能力.高中階段最常見的平行板電容器由兩塊平行的金屬板組成，它們之間被一種絕緣材料（如塑料）隔開，形成了一個(gè)電容器的結(jié)構(gòu).金屬板上的電荷可以通過電源源源不斷地輸入或輸出，電容器也可以逐漸儲(chǔ)存和釋放電能.當(dāng)電源被連接時(shí)，電容器會(huì)充電，電荷聚集在板上形成電場.當(dāng)電源斷開時(shí)，電容器會(huì)放電，電荷回到原始狀態(tài).根據(jù)電容器的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，可以將其分為電介質(zhì)電容器和電解質(zhì)電容器.電介質(zhì)電容器使用絕緣材料作為介質(zhì)，具有較高的電容量和較低的內(nèi)電阻，常見的有薄膜電容器和電解電容器.電解質(zhì)電容器使用電解質(zhì)溶液作為介質(zhì)，具有較高的電導(dǎo)率和較低的電容量，常見的有鋁電解電容器和鉭電解電容器.

2 電容器與電源保持連接問題

分析思路：解決電容器相關(guān)問題時(shí)，充分利用電容定義式、平行板電容器電容決定式、勻強(qiáng)電場電勢差與電場強(qiáng)度的關(guān)系式.

例1 如圖2所示，平行板電容器兩極板與電源兩極保持連接，電容器兩極板之間的有一帶電塵埃剛好靜止.若將上級(jí)板很緩慢地上移一點(diǎn)，其他條件保持不變，則（" ）

（A）電容器所帶電荷量變小.

（B）將有電流從電源正極流出.

（C）塵埃將向下運(yùn)動(dòng).

（D）電流計(jì)中有電流通過，且方向由b到a.

電流通過，電流方向由a到b，故（A）項(xiàng)正確，（B）（D）兩項(xiàng)錯(cuò)誤；

點(diǎn)評(píng) 需要注意的是，具體區(qū)別電容定義式與決定式，知道電容是表示電容器容納電荷能力的物理量，電容由電容器本身的結(jié)構(gòu)決定，在分析時(shí)先分析電容的決定式，再利用電容的定義式進(jìn)行電荷量的判斷.

3 電容器充電后與電源斷開問題

電容器問題重點(diǎn)需要培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)密的推理能力，在解答問題時(shí)，需要注意對電容器的電壓、電荷、能量等概念的理解和運(yùn)用，靈活使用相關(guān)的電路規(guī)律和電容器特性，結(jié)合具體問題進(jìn)行分析和推理.

例2 將一平行板電容器充電后與電源斷開，電容器負(fù)極板接大地，兩板間P點(diǎn)有一個(gè)正試探電荷固定，如圖4所示，用C表示電容、E為兩板間電場強(qiáng)度、φ表示固定P點(diǎn)的電勢，Ep指正電荷在固定P點(diǎn)具有的電勢能，電容器正極板不動(dòng)，負(fù)極板在向右平移一段距離l0的過程中，則各物理量與移動(dòng)距離x的關(guān)系圖象符合的是（" ）

令開始時(shí)負(fù)極板與P點(diǎn)的距離為b，則負(fù)極板向右側(cè)移動(dòng)x時(shí)P點(diǎn)與負(fù)極板之間的距離為b-x，則有φ=Eb－x，顯然P點(diǎn)電勢與x成線性關(guān)系，并且隨著x變大P點(diǎn)電勢減小，故（C）選項(xiàng)正確；

由電勢能Ep=φq，因此電勢與x的關(guān)系和電勢能與x的關(guān)系一致，故（D）選項(xiàng)錯(cuò)誤.

點(diǎn)評(píng) 電容器充電后與電源斷開問題不能死記硬背套用結(jié)論，要非常熟練使用幾個(gè)涉及的基本公式，并且真正地理解每個(gè)物理量的意義，應(yīng)用時(shí)推理要邏輯嚴(yán)密.

4 結(jié)語

本文涉及電容器兩類問題，還需要和具體情境結(jié)合起來分析，在兩類問題的基礎(chǔ)上還應(yīng)聯(lián)系到電容器在電路中的作用，知道電容器對電流的影響.電容器是連接電場、電路、電磁感應(yīng)等電學(xué)內(nèi)容的一個(gè)橋梁，掌握其特性及其基本原理，對于整體建構(gòu)電磁學(xué)知識(shí)體系，提升學(xué)科素養(yǎng)和思維能力，具有十分重要的意義[2].

參考文獻(xiàn)：

[1] 物理課程教材研究開發(fā)中心，普通高中教科書物理必修第三冊[M].北京：人民教育出版社，2019：42.

[2]劉俊紀(jì)，樊秀才.高考中有關(guān)平行板電容器問題歸類賞析[J].教學(xué)考試，2017（09）：13-14.