新高考人教物理一轮学案实验九观察电容器的充放电现象

实验九观察电容器的充、放电现象授课提示：对应学生用书第142页一、实验目的1．理解电容器的储能特性及其在电路中能量的转换规律。2．理解电容器充、放电过程中，电路中的电流和电容器两端电压的变化规律。二、实验原理与要求[基本实验要求]1．实验原理(1)电容器的充电过程当S接1时，电容器接通电源，与电源正极相接，电容器极板的自由电子在电场力的作用下将经过电源移到与电源负极相接的下极板，正极由于失去负电荷而带正电，负极由于获得负电荷而带负电，正、负极板所带电荷大小相等，符号相反，如图甲所示。(2)电容器的放电过程当S接2时，电容器的两极板用导线连接起来，电容器正极板上的正电荷与负极板上的负电荷中和，两极板的电荷量逐渐减少，表现为电流逐渐减小为零，电压也逐渐减小为零，如图乙所示。2．实验器材电源、单刀双掷开关、平行板电容器、多用电表、电流表和电压表。3．实验步骤(1)调节直流可调电源，输出为6V，并用多用电表校准。(2)关闭电源开关，正确连接实物图，电路图如图甲所示。(3)打开电源，把双掷开关S打到上面，使开关和触点1连通，观察电容器的充电现象，并将结果记录在数据处理的表格中。(4)把双掷开关S打到下面，使开关和触点2连通，观察电容器的放电现象，并将结果记录在数据处理的表格中。(5)记录好实验结果，关闭电源。4．注意事项(1)电流表要选用小量程的灵敏电流表。(2)要选择大容量的电容器。(3)实验过程中要在干燥的环境中进行。(4)在做放电实验时，在电路中串联一个电阻，避免烧坏电流表。[规律方法总结]1．数据处理实验项目实验现象电容器充电电流表读数由大到小最后为零电容器放电电流表读数由大到小最后为零(1)充电过程电荷在电路中定向移动形成电流，两极板间有电压。S刚合上时，电源与电容器之间存在较大的电压，使大量电荷从电源移向电容器极板，产生较大电流，随着极板电荷的增加，极板间电压增大，电流减小。当电容器两极板间电压等于电源电压时，电荷不再定向移动，电流为0。(2)放电过程中，由于电容器两极板间的电压使回路中有电流产生。开始这个电压较大，因此电流较大，随着电容器极板上的正、负电荷的中和，极板间的电压逐渐减小，电流也减小，最后放电结束，极板间不存在电压，电流为0。结论：当电容器极板上所储存的电荷发生变化时，电路中就有电流流过；若电容器极板上所储存的电荷量恒定不变时，则电路中就没有电流流过。电路中的平均电流为I＝eq\f(Δq,Δt)。授课提示：对应学生用书第143页命题点一教材原型实验对电容器及其充放电的认识[典列1]下列关于电容器相关知识描述正确的是()A．图甲为电容器充电示意图，充完电后电容器上极板带正电，两极板间的电压U等于电源的电动势EB．图乙为电容器放电示意图，若电容器上极板带电荷量为＋Q，则放电过程中通过安培表的电流方向从右向左，流过的总电荷量为2QC．图丙为电解电容器的实物图和符号，图丁为可变电容器及其符号，两种电容使用时都严格区分正负极D．图戊中的电容器上有“5VF”字样，说明该电容器只有两端加上5F[解析]图甲为电容器充电过程，充完电后电容器上极板带正电，同时两极板间的电压U等于电源的电动势E，故A正确；图乙为电容器放电过程，若电容器上极板带电荷量为＋Q，则放电过程中通过安培表的电流方向从右向左，且流过的总电荷量为Q，故B错误；图丙为电解电容器的实物图和符号，图丁为可变电容器及其符号，前者电容器使用时严格区分正负极，后者没有，故C错误；图戊中的电容器上有“5VF”字样，说明该电容器两端电压最大值为5V，而电容与电容器的电压及电荷量均无关，F，故D错误。[答案]A充放电过程电压和电流的变化及数据处理[典例2]某同学利用图(a)所示电路测量电容器充电时两极板间的电压随时间的变化。实验中使用的器材为：电池E(内阻很小)、开关S1和S2、电容器C(约100μF)、电阻R1(约200kΩ)、电阻R2(1kΩ)、电压表V(量程6V)、秒表、导线若干。(1)按图(a)所示的电路原理图将图(b)中实物图连线。(2)先闭合开关S2，再断开开关S2；闭合开关S1，同时按下秒表开始计时。若某时刻电压表的示数如图(c)所示，电压表的读数为________V(保留2位小数)。(3)该同学每隔10s记录一次电压表的示数，记录的数据如下表所示。时间t/s电压U/V在图(d)上绘出Ut图线，已知只有一个数据点误差较大，该数据点对应的表中的时间是________s。(d)(4)电路中C、R2和S2构成的回路的作用是_______________________________。[解析](1)根据电路图，实物如图所示。(2)电压表的量程为6V，V，所以读数为V。(3)先描点，然后用平滑的曲线将所描的点连接起来，如图所示。s。(4)电路中C、R2和S2构成的回路，先闭合开关S2，再断开开关S2，使电容器上所带电荷量释放干净，不影响下一次实验。[答案](1)图见解析(2)(3)图见解析(4)使每次实验前电容器两极板上的电荷相中和命题点二实验实验器材创新[典例3]在“用传感器观察电容器的充电和放电”实验中，电路图如图甲所示。V，测得放电的It图象如图乙所示。甲乙(1)若按“四舍五入(大于半格算一个，小于半格舍去)”法，根据“It图线与两坐标轴包围面积”，电容器在全部放电过程中释放的电荷量约为________C。(结果保留2位有效数字)(2)根据以上数据估算电容器的电容值为________F。(结果保留2位有效数字)(3)如果将电阻R换一个阻值更大的电阻，则放电过程释放的电荷量________(选填“变多”“不变”或“变少”)。[解析](1)电容器的放电图象是一条逐渐下降的曲线，而q＝It，从微元法得到，It图象与坐标轴围成的面积就是总的电荷量，经确认：图象下共有42格，所以电容器在全部放电过程中释放的电荷量约为Q＝42××C。(2)从上一问知道，电容器充满电后所带的电荷量Q＝C，而所加电压U＝E＝10V，所以C＝eq\f(Q,U)×10－3F。(3)若将电阻换一个阻值较大电阻，但由于电容器电荷量一定，则所有电荷量将通过电阻R释放，只是图象更加平缓些，但总电荷量不变。[答案](1)(2)×10－3(3)不变创新评价本题的创新之处在于应用电流传感器结合计算机模拟信号分析电流的变化规律代替通过记录电流表示数变化列表画图分析数据。实验目的创新[典例4]在测定电容器电容值的实验中，将电容器、电压传感器、阻值为3kΩ的电阻R、电源、单刀双掷开关按图甲所示电路图进行连接。先使开关S与1端相连，电源向电容器充电，充电完毕后把开关S掷向2端，电容器放电，直至放电完毕。实验得到的与电压传感器相连接的计算机所记录的电压随时间变化的ut曲线如图乙所示，图丙为由计算机对图乙进行数据处理后记录了“峰值”及曲线与时间轴所围“面积”的图。(1)根据图甲所示的电路，观察图乙可知：充电电流与放电电流方向________(选填“相同”或“相反”)，大小都随时间________(选填“增加”或“减小”)。(2)当开关接“1”时，是________(选填“充电”或“放电”)。上极板带________(选填“正电”或“负电”)。(3)某同学认为：仍利用上述装置，将电压传感器从电阻两端改接在电容器的两端，也可以测出电容器的电容值。请你分析并说明该同学的说法是否正确：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。[解析](1)根据图甲所示的电路，观察图乙可知：充电电流与放电电流方向相反，大小都随时间减小。(2)当开关接“1”时，与电源连接，是充电，且上极板带正电。(3)正确。因为当开关S与2连接，电容器放电的过