第四讲 实验：观察电容器的充、放电现象

开始理清实验原理与方案0103目录训练注重创新与发展第四讲实验：观察电容器的充、放电现象(基础实验)一、理清原理与操作原理装置图操作要领1.电容器的充电过程开关S接1时，电源给电容器充电，电容器带电荷量、电压逐渐增大，电流逐渐减小，最后电流为零，如图甲所示。2．电容器的放电过程开关S接2时，电容器负极板上负电荷与正极板上正电荷中和，两极板的电荷量逐渐减小，电流逐渐减小，最后电压也逐渐减为零，如图乙所示。续表二、掌握数据处理方法实验项目实验现象电容器充电灯泡L亮度由明到暗最后熄灭电流表A读数由大到小最后为零电压表V读数由小到大最后稳定电容器放电灯泡L亮度由明到暗最后熄灭电流表A读数由大到小最后为零电压表V读数由大到小最后为零三、强化重点环节和关键能力本实验操作过程中应注意以下问题：(1)连接电路时注意电流表和电压表的正、负极和量程。(2)对电解电容器也要注意正、负极。(3)要选择电容较大的电容器。(4)实验过程要在干燥的环境中进行。1．(2023·扬中模拟)如图为研究电容器充、放电现象的实验电路图，开始电容器不带电。实验开始时，首先将开关S合向1，这时观察到灵敏电流计G有短暂的示数，这说明电路中有电流流过，这个过程叫作________，经过这一过程，电容器的两极板就会带上等量的异号电荷，其上极板带________电荷(选填“正”或“负”)，电路稳定后灵敏电流计G的示数为零。当把开关S由1合向2时，有________(选填“自左向右”或“自右向左”)流过灵敏电流计G的短暂电流，这个过程叫作______________。解析：将开关S合向1，电源与电容器连通，电路中有电流流过，说明电源在给电容器储存电荷，这过程叫作充电；经过这一过程，电容器的两极板就会带上等量的异号电荷，其上极板带正电荷；当把开关S由1合向2时，从电势高的正极板能形成电流到电势低的负极板，则有自右向左流过灵敏电流计G的短暂电流，这个过程叫作放电。答案：充电正自右向左放电2．电容器作为储能器件，在生产生活中有广泛的应用。对给定电容值为C的电容器充电，无论采用何种充电方式，其两极间的电势差u随电荷量q的变化图像都相同。(1)请在图1中画出上述u-q图像。类比直线运动中由v-t图像求位移的方法，求两极间电压为U时电容器所储存的电能Ep＝________。(2)在如图2所示的充电电路中，R表示电阻，E表示电源(忽略内阻)。通过改变电路中元件的参数对同一电容器进行两次充电，对应的q-t曲线如图3中①②所示。a．①②两条曲线不同是________(选填“E”或“R”)的改变造成的；b．电容器有时需要快速充电，有时需要均匀充电。依据a中的结论，说明实现这两种充电方式的途径。(3)设想使用理想的“恒流源”替换(2)中电源对电容器充电，可实现电容器电荷量随时间均匀增加。请思考使用“恒流源”和(2)中电源对电容器的充电过程，填写下表(选填“增大”“减小”或“不变”)。

“恒流源”(2)中电源电源两端电压

通过电源的电流

曲线上该点切线斜率大，即为曲线①。这样能在较短时间内使电荷量达到最大，故可以实现对电容器快速充电。增大电阻R，刚开始充电瞬间电流I小，即为曲线②，该曲线接近线性，可以实现均匀充电。

“恒流源”(2)中电源电源两端电压增大不变通过电源的电流不变减小3.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)、停表、导线若干。(1)按图(a)所示的电路原理图将图(b)中实物图连接起来。(2)先闭合开关S2，再断开开关S2；闭合开关S1，同时按下停表开始计时。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记录一次电压表的读数U，记录的数据如下表所示。在给出的坐标纸上绘出U-t图线。已知只有一个数据点误差较大，该数据点对应的时间是________s。时间t/s10.020.030.040.050.060.0电压U/V2.143.454.234.515.005.18(4)电路中C、R2和S2构成的回路的作用是_____________________。解析：(2)电压表每小格代表0.1V，且读数要求保留两位小数，其读数为3.60V。(3)绘出U-t图线，偏离图线最远的点误差最大，由此确定t＝40.0s时对应的数据误差最大。(4)测量电容器充电时两极板间的电压随时间的变化，必须保证开始(t＝0)时，电容器不带电。电路中C、R2和S2构成回路的作用就是在实验开始前，通过闭合S2，使电容器放电，特别是当实验需要重复多次时，在重复实验前必须先对电容器放电。答案：(1)如图1所示(2)3.60

(3)如图2所示40.0(4)对电容器进行放电，方便实验多次测量4．(2023·江苏泰州模拟)在“用传感器观察电容器的充、放电现象”实验中，电路图如图1所示。一位同学使用的电源电动势为10.0V，测得放电的I-t图像如图2所示。(1)若按“四舍五入(大于半格算一个，小于半格舍去)”法，根据“I-t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。(结果保留两位有效数字)(2)根据以上数据估算电容器的电容值为______F。(结果保留两位有效数字)(3)如果将电阻R换成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)电容器的放电图像是一条逐渐下降的曲线，而q＝It，从微元法得到，I-t图像与坐标轴围成的面积就是总的电荷量，经确认：图像下共有40格，所以电容器在全部放电过程中释放的电荷量约为Q＝40×0.001×0.4C≈0.016C。(3)由题图看出，若将电阻换成一个阻值较大的电阻，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，只是图像更加平缓些，但释放的电荷量不变。答案：(1)0.016

(2)0.0016

(3)不变5．在测定电容器电容的实验中，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u-t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的“峰值”及曲线与时间轴所围“面积”。(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“增大”或“减小”)。(2)该电容器的电容值为________F。(结果保留两位有效数字)(3)