第四讲　实验：观察电容器的充、放电现象

第四讲实验：观察电容器的充、放电现象

[把握经典实验方案]一、基本原理与操作原理电路图操作要领触点1、2连通，给电容器充电，触点2、3连通，电容器放电1.安装：断开开关S，根据电路图正确连接实物图，注意各电表的“＋、－”接线柱的接法及量程。2.操作：观察电容器充电、放电时灯泡的亮暗变化和各电表示数的变化情况二、实验核心关键点1．理清充放电过程2．观察实验现象[融通多彩实验方案]1．鲁科版新教材——观察电容器的充、放电现象实验电路图：[要点解读](1)电压表、电解电容器正、负极不能接反。(2)连接电路时开关要断开，电压表量程选择适当。2．粤教版新教材——观察电容器的充、放电现象实验电路图：[要点解读](1)用电流传感器和电压传感器采集电容器充电、放电过程中电流、电压的数据传输给计算机，得出I-t、U-t图线。(2)利用I-t图线与t轴所围面积表示电容器充、放电的电荷量Q，从而寻找Q与U的关系。[归纳共性实验关键]1．不变的实验原理通过观察连接在回路中的电流表和电压表示数变化，得出电容器充、放电过程的特点。2．必备的实验器材直流电源、导线、单刀双掷开关、电容器、定值电阻、电流表(电流传感器)、电压表(电压传感器)。3．共同的注意事项(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。考法一实验原理与操作1．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

“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[关键点拨](1)电容器充电时电流流向正极板，电容器放电时电流从正极板流出，且充、放电时电流均逐渐减小至零。(2)电容器充、放电过程中，电容器的电容保持不变，极板带电荷量和电压成正比关系变化。(3)在U-q图像中斜率表示电容的倒数，图线和横坐标围成的面积表示所储存的电势能Ep。

考法二数据处理和误差分析3.如图甲所示是用高电阻放电法测电容的实验电路图。其原理是测出电容器在充电电压为U时所带的电荷量Q，从而求出其电容C。该实验的操作步骤如下：(1)按电路图连接好实验电路；(2)接通开关S，调节电阻箱R的阻值，使微安表的示数接近满刻度，记下这时的电压表读数U0＝6.2V和微安表读数I0＝490μA；(3)断开开关S并同时开始计时，每隔5s或10s读一次微安表的读数i，将读数记录在预先设计的表格中；(4)根据表格中的12组数据，以t为横坐标，i为纵坐标，在坐标纸上描点(图中用“×”表示)，如图乙所示。根据以上实验结果和图像，可以估算出当电容器两端电压为U0时该电容器所带的电荷量Q0约为______C，从而算出该电容器的电容约为________F。答案：8×10－3

1.3×10－3[关键点拨](1)在i-t图像中，图线与坐标轴所围成的面积表示电容器的电荷量。求解该面积时，可以画上小方格，利用查小方格的方法计算。(2)在同一电源和电容器组成的电路中，电容器充电后电容器的电荷量为定值，即i-t图像中，图线与坐标轴围成的面积不变。

[例1]

用下列器材测量电容器的电容：一块多用电表，一台直流稳压电源，一个待测电容器(额定电压16V)，定值电阻R1＝100Ω，定值电阻R2＝150Ω，电流传感器，数据采集器和计算机，单刀双掷开关S，导线若干。实验过程如下：实验次数实验步骤第1次①将电阻R1等器材按照图甲正确连接电路，将开关S与1端连接，电源向电容器充电②将开关S掷向2端，测得电流随时间变化的i-t曲线如图乙所示第2次③用电阻R2替换R1，重复上述实验步骤①②，测得电流随时间变化的i-t曲线如图丙中的某条虚线所示说明：两次实验中电源输出的直流电压恒定且相同请完成下列问题：(1)第1次实验中，电阻R1两端的最大电压U＝____V。利用计算机软件测得i-t曲线和两坐标轴所围的面积为90mA·s，已知电容器放电时其内阻可以忽略不计，则电容器的电容为C＝________F。(2)第2次实验中，电流随时间变化的i-t曲线应该是图丙中的虚线________(选填“b”“c”或“d”)，判断依据是________________________________________________________________________________________________________________。[答案]

(1)9

1×10－2

(2)c两次放电电荷量相等，图线与t轴围成部分的面积相等，另由于R2>R1，开关掷向2瞬间放电电流较小[例2]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