AP物理C：电和磁单元2导体电容器电介质

记得去 AP 课堂为学生分配本单元的在线个人进度检查。

无论是作为家庭作业还是在课堂上完成，个人进度检查都会为每个学生提供与本单元主题和技能相关的即时反馈。

个人进度检查 2

多项选择：约 30 个问题

自由回答：1 个问题

发展理解

以前，学生们研究了为什么所有物体都有电荷。 在第 2 单元中，学生将 检查电荷如何穿过物体。 展示导体、电容器和电介质以证明电荷的运动取决于物体的材料。 在电子学中，根据运动的类型或所需的对象行为，这些中的每一个都很重要。 此外，本单元还研究了这些元素的行为如何受到电场的影响。 应为学生提供机会（实验室调查或活动）来描述和检查每个元件以及电容器的功能。 导体、电容器和电介质的知识将使学生准备好了解电路在第 3 单元中的工作原理以及当一个或多个电气元件被改变或修改时它们的行为方式。

建设科学实践

1.E 2.E 7.B

在本课程中，学生将需要使用脚手架练习来修改物理情况表示的条件或特征。 虽然学生能够计算出问题的数字或符号解决方案很重要，但学生能够思考如果初始条件或假设（例如增加或消除摩擦、 或者电线的电阻为零——被改变了。 学生应该能够用来自当现有变量发生变化时，确定方程中变量之间的关系。

准备 AP 考试

其中一个自由回答问题可能会要求学生证明选择回答科学问题所需的数据并设计收集该数据的计划。 为了更好地让学生为此做好准备，建议教师为他们提供脚手架活动和实验室，以确定回答这些问题所需的适当数据。 教师可参考与第 2 单元一致的学习目标来创建这些活动。

单位一览

ACT-2、ACT-3

话题

2.1 导体、电容器、电介质：带导体的静电

建议的技能

1.A 描述物理意义（包括 识别特征）表示。

1.E 描述修改条件的影响或 表征物理情况的特征。

5.A 选择适当的法律、定义、 数学关系或模型来描述 身体状况。

7.C 用来自的证据支持索赔 物理表示。

7.D 提供推理来证明索赔的合理性 物理原理或规律。

CNV-4

话题

2.2 导体、电容器、电介质：电容器

建议的技能

1.A 描述物理意义（包括 识别特征）表示。

2.A 确定一个可测试的科学问题 或问题。

2.B 提出索赔或预测结果 一个实验。

2.E 识别或描述潜在的来源 实验误差。

5.B 确定关系 当一个方程中的变量存在时 变量的变化。

7.A 提出科学主张。

7.D 提供推理来证明索赔的合理性 物理原理或规律。

FIE-2

话题

2.3 导体、电容器、电介质：电介质

建议的技能

2.B 提出索赔或预测结果 一个实验。

3.C 画一张图，显示两个量之间的函数关系。

3.D 创建适当的图表来表示物理情况。

5.B 当现有变量发生变化时，确定方程内变量之间的关系。

6.C 通过选择并遵循逻辑计算路径，用已知量的单位计算未知量。

7.A 提出科学主张。 7.B 用来自的证据支持索赔实验数据。

教学活动示例

此页面上的示例活动是可选的，旨在提供可能的方法来 将教学方法融入课堂。 教师不需要使用这些 活动或教学方法，并且可以自由更改或编辑它们。 下面的例子 是与 AP 社区的教师合作开发的，以分享他们学习的方式 方法教授本单元中的一些主题。 请参考教学方法 从第页开始的部分。 107 了解更多活动和策略示例。

活动主题

建议活动 1 2.1

预测与解释 找一个可以安装氖气放电管的封闭金属丝网容器。用特斯拉线圈敲击管子，让它亮起来。然后将管子放入金属丝网中（让学生预测会发生什么）；任何努力都不会导致管子从特斯拉线圈点亮。解释为什么。

2 2.2 制定计划

让学生研究电离层和地球表面的电特性，并利用他们的研究确定以下内容： 由电离层和地球表面组成的球形系统的电容，以及“电容器”的电荷和电位差。

3 2.2 桌面实验

让学生构建自己的电容器并预测其电容。让他们使用电容表来测量电容。

4 2.3 构造参数

请学生解释为什么纯水具有如此高的介电常数（答案：分子的极性）。还要让他们解释为什么不纯的水会导致由水电介质制成的“漏电”电容器（答案：杂质传导电流）。

5 2.3 桌面实验

让学生用两片箔片制作一个平行板电容器，每片之间夹一张纸。让学生用电容表测量电容。接下来，让他们增加纸张的张数并记录数据，以求出纸张的介电常数。

单位规划说明

使用下面的空间来计划您进入该单元的方法。

主题 2.1

导体、电容器、电介质：带导体的静电学

持久的理解

ACT-2

绝缘导体上的多余电荷会扩散到整个导体上，直到电荷不再移动。

学习目标

ACT-2.A

A.认识到静电平衡中导体上的多余电荷完全位于导体表面。

B.描述静电定律的结果，并说明它对导体的其他定律（即导体内部不存在电场）负责。

基本知识

ACT-2.A.1

导体表面所有电荷的相互排斥最终会在导体上产生静电平衡状态。 这将导致均匀形状（球体、圆柱体、平面等）的均匀电荷密度和所有导体内部不存在电场（均匀或非均匀形状）。

A. 导体外部的电场必须完全垂直于表面，并且没有与表面相切的分量。 这也是导体表面静电平衡的结果。

学习目标

ACT-2.B

A.解释为什么导电表面必须是等势表面。

B.描述导体成为等势面的后果。

C.解释由外部电场引起的导体电荷密度的变化如何不会改变导体内部的电场值。

基本知识

ACT-2.B.1

等势面具有数学和没有电的物理性质导体内的场（金属内和金属内的空腔内）。

A.即使将导体置于外部电场中，导体上的等电位条件仍然存在。

学习目标

ACT-2.C

A.描述通过感应给导体充电的过程。

B.描述在验电器/导体上感应电荷过程中驻留在导体上的净电荷。

基本知识

ACT-2.C.1

通过将导体靠近外部电场，然后同时将接地线/地线连接到导体，可以在导体上感应出电荷。

学习目标

ACT-2.D

解释带电物体如何吸引中性导体。

基本知识

ACT-2.D.1

导体在存在电场的情况下可以完全极化。 一种。 导体的完全极化是导体在存在外部电场的情况下保持等电位的结果。

学习目标

ACT-2.E

描述的概念静电屏蔽。

基本知识

ACT-2.E.1

静电屏蔽是用完全封闭的导体围绕一个区域以创建一个没有电场的区域的过程。

持久的理解

ACT-3

绝缘球体或球壳上的多余电荷将散布在球体的整个表面上，直到不再有电荷移动，因为该表面是等电位的。

学习目标

ACT-3.A

A.对于带电的导电球或球壳，描述相对于位置的电场。

B.对于带电的导电球或球壳，请描述相对于位置的电势。

基本知识

ACT-3.A.1

电场在一个范围内的值为零 球形导体。

A.导电球内及其表面的电势被认为是等势面。 这意味着导电球体内部的电势是恒定的，并且与球体表面的电势值相同。

学习目标

ACT-3.B

计算用导线连接的两个带电导电球表面的电势。

基本知识

ACT-3.B.1

系统中的净电荷必须保持不变。 连接球体的整个系统必须处于相同的电位。

A.电荷将在两个相连的球体上重新分布，直到满足上述两个条件。

主题 2.2

导体、电容器、电介质：电容器

必修课程内容

持久的理解

CNV-4

有存储和转移静电势能的电气设备

学习目标

CNV-4.A

A.应用一般定义 电容到一个 电容器连接到 充电源。

B.计算电荷等未知量， 潜在差异， 或电容 物理系统 充电的电容器。

基本知识

CNV-4.A.1

电容的一般定义由以下关系式给出：

学习目标

CNV-4.B

A.使用该关系式存储电容器的电势能。

B.计算带有充电电容器的物理系统的电荷、电位差、电容和势能等量。

基本知识

CNV-4.B.1

确定存储在电容器中的能量 由以下关系： UE 1 C(V)2 （或等效表达式）

学习目标

CNV-4.C

解释一个已储存能量的充电电容器如何将能量转化为其他形式的能量。

基本知识

CNV-4.C.1

电荷和能量守恒可以应用于包含电荷、电容器和电位差源的封闭物理系统。

学习目标

CNV-4.D

A.根据电容器的几何形状和基本常数推导平行板电容器的表达式。

B.用极板间的电场、极板之间的电位差、极板上的电荷以及极板之间的间距来描述平行板电容器的特性。

C.计算物理系统的电荷、电位差、电场、表面积和分离距离等物理量 包含一个带电的 平行板电容器。

D.解释电容器几何形状的变化将如何影响电容值。

基本知识

CNV-4.D.1

电容的一般定义可以与两个带相反电荷的大板的电场特性结合使用，以根据电容器的几何形状确定平行板电容器的一般定义。 关系是： 一种 C = o 其中 A 是板的表面积，d 是 板之间的分离距离。 与极板之间的间隔距离相比，电容器中的极板可以被认为具有非常大的表面积。 这种条件使其成为理想电容器，在极板之间具有恒定电场。

学习目标

CNV-4.E

应用电容器极板之间的电场与极板上的表面电荷密度之间的关系。

基本知识

CNV-4.E.1

带相反电荷的板的电场可以通过应用高斯定律或应用叠加原理来确定。 平行板电容器两极板之间的电场具有以下特性：

A.电场的大小是恒定的，并且与电容器的几何形状无关。

B.电场与一块板上电荷的表面电荷密度成正比。

学习目标

CNV-4.F

导出存储在平行板电容器中的能量或电容器单位体积的能量的表达式。

基本知识

CNV-4.F.1

平行板电容器的能量可以 可以用电容器的基本特性（即面积、分离距离）、带电系统的基本特性（即电荷密度）和基本常数来表示。

学习目标

CNV-4.G

A.描述当导电板插入两板之间或当导电板移得更近或更远时对充电电容器的物理系统的影响。

B.计算未知量，例如电荷、电势差、电荷密度、电场和存储的能量，当导电板放置在带电电容器的极板之间或带电电容器的极板移得更近或更远时。

基本知识

CNV-4.G.1

充电电容器系统将根据电容器的初始条件或条件而具有不同的守恒量。 如果电容器保持连接到电位差源，则系统中的电荷可以根据系统的变化而变化。 如果电容器被隔离且未连接到电位源，则电容器系统中的电荷保持恒定，并且其他物理量可以响应物理系统的变化而变化。

学习目标

CNV-4.H

根据电容器的几何形状和基本常数，导出圆柱形电容器或球形电容器的表达式。

基本知识

CNV-4.H.1

使用电容的定义和带电圆柱或球体的静电特性，圆柱或球形电容器的电容也可以根据其几何特性和基本常数来确定。

CNV-4.I

计算包含充电电容器的物理系统的物理量，例如电荷、电位差、电场、表面积和分离距离。

CNV-4.I.1

电容的特性仍然适用于所有类型的电容器（球形或圆柱形）。

主题 2.3

导体、电容器、电介质：电介质

必修课程内容

持久的理解

FIE-2

当置于电场中时，绝缘体具有不同的特性（与导体相比）。

学习目标

FIE-2.A

描述和/或解释当绝缘体放置在外部时绝缘材料的物理特性

基本知识

绝缘体的分子会极化成各种 度数（轻微偏光或大量偏光）。 这种效应由称为“介电常数”的物理常数决定。 介电常数的值介于 1 和更大的数字之间。

学习目标

FIE-2.B

解释插入电容器极板之间的电介质如何影响电容器的特性，例如电位差、极板之间的电场和电容器上的电荷

FIE-2.B.1

电介质将部分极化并在电介质材料内部产生电场。 电容器极板之间的净电场是两个场的合成——极板之间的场和电介质中的感应场。 该场始终是极板之间场的减小，因此是极板之间电位差的减小。

学习目标

FIE-2.C

使用电容器的定义来描述在板之间插入电介质时电容值的变化。

基本知识

FIE-2.C.1

平行板电容器的电容 与之间插入介电材料 板可以计算如下： 一种 C = o 其中常数ĸ是材料的介电常数。

学习目标

FIE-2.D

A.计算将电介质插入隔离充电电容器时能量、电荷或电位差的变化。

B.当电介质插入连接到电位差源的电容器时，计算能量、电荷或电位差的变化。

基本知识

FIE-2.D.1

电容器系统的初始条件可以确定在尝试计算电容器系统中的未知量时使用哪种关系。