Урок на тему: Електроємність. Конденсатори. Енергія зарядженого конденсатора.

Міністерство освіти і науки України

ДНЗ «Підволочиський професійний ліцей »

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Урок фізики на тему:

 Електроємність. Конденсатори.

 Енергія зарядженого конденсатора.

 

 

 

 

Підготувала:

Викладач фізики і астрономії

Семенюх І.В.

 

 

 

 

 

 

 

Підволочиськ 2021

        

Не досить оволодіти

 премудрістю, потрібно

  також  вміти

користуватися нею.

Прислів’я

 

Тема: Електроємність. Конденсатори.

 Енергія зарядженого конденсатора.

Мета уроку:

Навчальна: формувати знання про електроємність як фізичну величину, уявлення про конденсатори, типи конденсаторів та застосування в сучасній техніці.

Розвивальна: розвивати спостережливість, уміння встановлювати зв’язки між фізичними величинами, логічне мислення, експериментальні навички, вміння робити висновки.

Виховна: виховувати впевненість у власних силах, інтерес до вивчення фізики.

Методична мета:  використання тестів на уроках засвоєння нових знань.

Ключові та предметні компетентності:

Тип уроку: урок засвоєння нових знань.

Наочність і обладнання: навчальна презентація, комп’ютер, підручник.

Методи та прийоми:  пошуково-проблемний метод, демонстраційний експеримент, пояснення з елементами бесіди.

Міжпредметні зв’язки: фізика, математика, електротехніка, інформатика, технології.

Хід уроку

І. ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ ЕТАП

Привітання, виявлення відсутніх.

II. АКТУАЛІЗАЦІЯ ОПОРНИХ ЗНАНЬ ТА ВМІНЬ

Виконати тестові завдання.

 (онлайн, зайшовши за посиланням або у зошитах)

1. Речовини здатні проводити електричний струм називаються ....

1. ізоляторами            
2. провідниками   
3. діелектриками 
4. напівпровідниками

2. Напруженість електростатичного поля всередині провідника...

1. максимальна
2. мінімальна  
3. дорівнює нулю
4. будь-яка

3. Явище перерозподілу електричних зарядів у провіднику, поміщеному в електростатичне поле, у результаті чого на поверхні провідника виникають електричні заряди називають ...

1. явищем електростатичної індукції   
2. електризацією
3. поляризацією  
4. явищем електромагнітної індукції

4. Поверхня провідника є ... 

1. Зарядженою 
2. еквіпотенціальною 
3. незарядженою 
4. монопотенціальною

5. Увесь статистичний заряд провідника зосереджений ... 

1. на його поверхні
2. всередині провідника 
3. будь - де 
4. різних випадках по різному

6. Вектор напруженості електростатичного поля є ... 

1. паралельним до поверхні провідника 
2. перпендикулярним або паралельним до поверхні провідника
3. перпендикулярним до поверхні провідника
4. не має напрямку

7. Електричні заряди розподіляються по поверхні провідника так, що напруженість електростатичного поля провідника виявляється ...

1. відсутня на виступах провідника і більшою на його западинах
2. більшою на виступах провідника і нульовою на його западинах
3. меншою на виступах провідника і більшою на його западинах
4. більшою на виступах провідника і меншою на його западинах

8. Речовини, які погано проводять електричний струм називають 

1. Діелектриками 
2. Напівпровідниками
3. металами 
4. неметалами

9. Поляризація діелектриків виникає при ... 

1. внесенні діелектрика в зовнішнє електричне поле
2. винесенні діелектрика з зовнішнього електричного поля
3. будь коли
4. за певних умов

10. Зменшення модуля напруженості Е електростатичного поля в речовині в порівнянні з модулем напруженості Е₀ електростатичного поля в вакуумі характеризується фізичною величиною яка називається ...

1. електрохімічним еквівалентом речовини
2. напруженість поля
3. діелектрична проникність речовини
4. електромагнітна індукція

 

 

ІІІ. МОТИВАЦІЯ НАВЧАЛЬНОЇ ДІЯЛЬНОСТІ

Демонстрація 1. Робота в групах. Для демонстрації учні використовують конденсатори різної ємності. Після виконання експерименту учні діляться своїми спостереженнями.

Після ввімкнення живлення світлодіод  у даній схемі засвітився, коли ми відключили живлення, то світлодіод  згас не одразу. Чому так відбувається? Який елемент у даній схемі подає живлення на світлодіод після відключення її від джерела струму? Відповіді на ці та інші запитання ми зможемо дати наприкінці уроку.

 

 

 

 

IV.  Повідомлення теми, мети, завдань уроку

 Учитель повідомляє тему уроку, пропонує учням ознайомитися з планом її вивчення.

 

План вивчення теми

1. Історичні факти про конденсатори.
2. Електроємність.
3. Конденсатори, види і типи.
4. Паралельне і послідовне з`єднання      конденсаторів.
5.  Застосування конденсаторів.

 

 

V. ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

 

1. Історичні факти про конденсатори

Перша половина XVIII століття була часом швидкого накопичення дослідних фактів про електричні явища. Саме в цей час, з'ясувалося, що існують два роди електрики. Проте саме явище електризації тіл, природа електрики залишалися абсолютно загадковими. Вважалося, що електрика ― це особлива рідина, що міститься в кожному зарядженому тілі. А зменшення заряду на тілах природно трактувалося як "випаровування" цієї електричної рідини. Так намагаючись запобігти цьому «випаровуванню» голландець Ван Мушенбрук та німецький фізик Фон Клейст, який проживав в місті Лейден,незалежно один від одного,  стали творцями першого конденсатора. Вони створили даний пристрій у 1745 році, таким чином, подарувавши науковому світу тих часів можливість вивчення електрики. Між іншим, саме завдяки Фон Клейсту перший конденсатор назвали «Лейденською банкою», і не випадково: лейденська, тому що місто Лейден, а банка – тому, що це і була по суті звичайна банка, обклеєна з двох сторін  фольгою, а дерев’яна кришка з двома металевими стрижнями закривала цю банку.

 

2. Електроємність

Електроємність характеризує здатність провідників або системи з кількох провідників накопичувати електричний заряд.

Розрізняють електроємність відокремленого провідника та електроємність системи провідників (наприклад, конденсатора).

 

Електроємність відокремленого провідника– фізична величина, яка характеризує здатність провідника накопичувати заряд і дорівнює відношеннюелектричного заряду відокремленого провідника до його потенціалу :

Оскільки 1 Ф – дуже велика одиниця ємності, зазвичай застосовують частинні одиниці:

 

3. Конденсатор

Конденсатор – система з двох чи більше провідних обкладок, які розділені діелектриком, товщина якого менша у порівнянні з розміром обкладок.

 

Обкладки конденсатора мають однакові за абсолютним значенням різнойменні заряди й розміщені одна відносно одної так, що поле в цій системі сконцентроване в обмеженому просторі між обкладками.

Діелектрик між обкладками відіграє подвійну роль: по-перше, він збільшує електроємність, по-друге – не дає зарядам нейтралізуватись.

Накопичення зарядів на обкладках конденсатора називається його заряджанням.

Заряд конденсатора – це модуль заряду однієї з його обкладок.

Він прямо пропорційний різниці потенціалів (напрузі) між обкладками конденсатора. У такому разі ємність визначається за формулою:

 

Плоский конденсатор – це конденсатор, який складається з двох паралельних металевих пластин (обкладок), розділених шаром діелектрика.

– електрична стала

– діелектрична проникність діелектрика

– площа пластини конденсатора

– відстань між пластинами

Конденсатор — це крихітний акумулятор, який дуже швидко заряджається  і дуже швидко розряджається.

 

Основні характеристики

 

Ємність (номінал)	C	Фарад
Точність (допуск)	±	%
Максимальна напруга	V	Вольт

Кодування номіналу  конденсатора

Номінал в пФ записується на корпусі конденсатора.  Перші  2 цифри — основа, 3-я  - множник. Наприклад:

• 220 = 22 × 10⁰ пФ = 22 пФ
• 471 = 47 × 10¹ пФ = 470 пФ
• 103 = 10 × 10³ пФ = 10 000 пФ = 10 нФ
• 104 = 10 × 10⁴ пФ = 100 000 пФ = 100 нФ

 

Якщо напруга, що подається на конденсатор більша, ніж накопичений заряд конденсатора, то конденсатор буде заряджатися.

Якщо зовнішня напруга менша, ніж накопичений заряд конденсатора, то конденсатор буде розряджатися

 

Демонстраційний експеримент 2

 

За допомогою даної схеми спробуємо визначити електроємність конденсатора.

 

 

 

Скетч у програмі Arduino IDE

 

 

 

4. З’єднання конденсаторів

Щоб створити потрібну електроємність, конденсатори з’єднують у групу, яка називається батареєю . Розглянемо батарею, яка складається з конденсаторів електроємностями   відповідно.

 

Паралельне з’єднання конденсаторів:

Послідовне з’єднання конденсаторів:

 

 

 

4. Енергія плоского конденсатора

Заряджений конденсатор, як і будь-яка інша система заряджених тіл, має енергію.

Повна робота, яку виконає поле під час зменшення заряду конденсатора від до :

Ця робота дорівнює зменшенню енергії електричного поля конденсатора від до нуля:

 

Таким чином, енергія зарядженого до напруги конденсатора,який має електроємність і заряд , дорівнює:

 

5. Застосування конденсаторів

У сучасній техніці складно знайти галузь, де б широко не застосовувалися конденсатори. Без них не можуть обійтися радіотехнічна й телевізійна апаратура (настроювання коливальних контурів), радіолокаційна і лазерна техніка (одержання потужних імпульсів), телефонія і телеграфія (розділення кіл змінного та постійного струмів, гасіння іскор у контактах),), електровимірювальна техніка (створення зразків ємності).  Конденсатор дуже розповсюджений в світлодіодних лампах, тому, що вона буде горіти тільки за умови підключення до джерела змінного струму. У будинках часто стрибає напруга, в зв’язку з чим можуть постраждати електроприлади. Для вирівнювання струму встановлюється система конденсаторів.

 

 

 

VІ. ЗАКРІПЛЕННЯ НОВИХ ЗНАНЬ І ВМІНЬ

1. Знайти ємність конденсатора, якщо заряд на його обкладках дорівнює 20 мкКл, а напруга між обкладками 40 В.

Дано:

Розв’язання   Відповідь:

3. Дано два конденсатори 5 мкФ і 3 мкФ. Якою стане загальна ємність при їх послідовному з’єднанні?

Дано:	Розв’язання Послідовне з’єднання конденсаторів:   Відповідь:

 

4. Дано два конденсатори 5 мкФ і 4 мкФ. Визначити ємність батареї конденсаторів при їх паралельному з’єднанні.

Дано:	Розв’язання Паралельне з’єднання конденсаторів:   Відповідь:

5. Конденсатор ємністю 30мкФ приєднали до джерела живлення, напруга на виході якого дорівнює 200 В. Визначити енергію електричного поля конденсатора.

Дано:	Розв’язання   Відповідь:

 

Виконати тестові завдання.

 (онлайн, зайшовши за посиланням або у зошитах)

 

1. Чому дорівнює напруга між пластинами конденсатора електроємністю 1 Ф, якщо електричний заряд на одній пластині конденсатора +2 Кл, на другій -2 Кл?

А) 0 В;    Б) 4 В;

В) 2 В;    Г) 0,5 В.

2. Порівняйте електроємності двох мідних куль, радіусами R > R₂.

А) С₁ > C₂;    Б) С₁ < C₂;

В) С₁ = C₂;    Г) відповідь неоднозначна

3. Якщо заряд кожної з обкладок конденсатора збільшити в n разів, то його електроємність...

A) збільшиться в n разів; Б) зменшиться в n разів;

B) не зміниться;   Г) збільшиться в n² разів.

4. Визначте товщину діелектрика конденсатора, електроємність якого 1400 пФ, площа пластин, що перекривають одна одну, 1,4 ∙ 10^-3 м². Діелектрик — слюда (ε = 6).

А) 5,3 ∙ 10^-6 м;   Б) 5,3 ∙ 10^-3 м;

В) 1,9 ∙ 10^-4 м;   Г) 1,9 ∙ 10^-6 м.

5. Як зміниться ємність плоского повітряного конденсатора, якщо відстань між його обкладками збільшити в 2 рази?

A) збільшиться вдвічі;   Б) зменшиться вдвічі;

B) збільшиться в 4 рази;  Г) зменшиться в 4 рази.

VІІ. ПІДБИТТЯ ПІДСУМКІВ УРОКУ

Отже, тепер ми можемо відповісти на запитання:

Чому світлодіод згас не одразу після вимкнення живлення? Який елемент у даній схемі подає живлення на світлодіод після відключення її від джерела

струму?

Відповідь:  При підключенні електроенергії, струм протікає через світлодіод, який загоряється.
Паралельно, струм проходить через конденсатор, який починає заряджатися до своєї максимальної ємності.
                 При відключенні електроенергії, конденсатор починає розряджатися через світлодіод, тому світлодіод не миттєво гасне, а поступово, поки повністю не розрядиться конденсатор. Чим більша ємність конденсатора, тим довше буде горіти світлодіод.

Вправа "Бліц інтерв’ю"

 1. Що нового дізналися на уроці?

 2. Чи досягли ви на уроці очікуваних результатів? 

 3.Що було найскладнішим під час виконання завдань?

       4. Що було головним на уроці?

 

Викладач аналізує роботу групи, окремих учнів та виставляє оцінки.

 

VIІІ. Домашнє завдання

Опрацювати § 44, Вправа № 44 (1, 4)

Додаткове завдання 

Складіть схему в якій буде використовуватися конденсатор, використовуючи програму Tinkercad.