观察电容器的充放电现象(学生版)

实验九观察电容器的充、放电现象[人教版必修第三册]1．阅读教材第十章第4节“实验：观察电容器的充电、放电现象的内容”，总结电容器充电、放电过程的特点。2．第十章第4节【拓展学习】图－3中，I－t图像图线与时间轴围城的面积的物理意义是什么？求解过程中运用了什么思想方法？怎样根据I－t图像估算电容器在全部放电过程中释放的电荷量？考点一原型实验一、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化规律。2．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、实验器材6V的直流电源、、平行板电容器、电流表、电压表、小灯泡、导线若干。三、实验思路1．电容器充电：电源使电容器的两极板带上的过程，如图甲所示。2．电容器放电：用导线将充好电的电容器的两极板相连，使两极板的异种电荷中和的过程，如图乙所示。3．电容器充放电时的能量转化：充电后，电容器储存了。放电时，储存的电能释放出来，转化为其他形式的能。四、实验过程1．电容器的充电开关S合向1，电容器充电。（1）现象①小灯泡开始较亮，逐渐变暗，直至熄灭。②A1的读数，逐渐减小到0。③V的读数迅速。④最后电流表的示数等于0，电压表的示数稳定，等于。（2）解释电源正极向极板供给正电荷，负极向极板供给负电荷。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，灯不亮。2．电容器的放电开关S合向2，电容器放电。（1）现象①小灯泡开始较亮，逐渐变暗，直至熄灭。②A2的读数开始较大，逐渐变小，电流方向与充电方向，直至为0。③开始V的读数为电源电压，逐渐减小，直至为。（2）解释放电过程中，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。五、分析论证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；当电容器极板上所储存的电荷量恒定不变时，电路中就没有电流流过。电路中的平均电流为I＝。六、注意事项1．电流表要选用的灵敏电流表。2．要选择的电容器。3．实验过程要在干燥的环境中进行。4．在做放电实验时，在电路中一个电阻，避免烧坏电流表。（2022·北京高考）利用如图所示电路观察电容器的充、放电现象，其中E为电源，R为定值电阻，C为电容器，A为电流表，V为电压表。下列说法正确的是（）A．充电过程中，电流表的示数逐渐增大后趋于稳定B．充电过程中，电压表的示数迅速增大后趋于稳定C．放电过程中，电流表的示数均匀减小至零D．放电过程中，电压表的示数均匀减小至零图甲是一种测量电容器电容的实验电路图，实验是通过对高阻值电阻放电的方法，测出电容器充电至电压U时所带电荷量Q，从而求出待测电容器的电容C。某同学在一次实验时的情况如下：A．按如图甲所示的电路图接好电路；B．接通开关S，调节电阻箱R的阻值，使电流表的指针偏转接近满刻度，记下此时电流表的示数是I0＝490μA，电压表的示数U0＝8.0V；C．断开开关S，同时开始计时，每隔5s测读一次电流i的值，将测得数据填入表格，并标示在图乙的坐标纸上（时间t为横坐标，电流i为纵坐标），如图乙中小黑点所示。（1）在图乙中画出i－t图像；（2）图乙中图线与横坐标轴所围成面积的物理意义是____________________________________；（3）该电容器电容为________F（结果保留2位有效数字）；（4）若某同学实验时把电压表接在E、D两端，则电容的测量值比它的真实值________（选填“偏大”“偏小”或“相等”）。由电容器充（放）电的由电容器充（放）电的I－t图像可得到的结论（1）电容器的充、放电过程中，电流都随时间越来越小，电路稳定时电流为0。（2）电容器在全部充电（或放电）过程中储存（或释放）的电荷量可用I－t图线与时间轴所围图形的面积表示。（3）电容器的电容可根据电容器充、放电过程中I－t图线与时间轴所围图形的面积和电容器充电结束或放电开始时两极板间的电势差，由C＝EQ\f(Q,U)计算。（4）电容器充、放电过程中的最大电流（即I－t图像中t＝0时刻的电流）：Im＝EQ\f(U,R)，其中U是电容器充电结束或放电开始时两极板间的电势差，R是充电电路或放电电路中除电容器外其他通路部分的总电阻。1．如图甲所示，实验器材主要有电源、理想电压表V、两个理想电流表A1和A2、被测电解电容器C、滑动变阻器R、两个开关S1和S2以及导线若干。实验主要步骤如下：①按图甲连接好电路。②断开开关S2，闭合开关S1，让电池组给电容器充电，当电容器充满电后，读出并记录电压表的示数U，然后断开开关S1。③断开开关S1后，闭合开关S2，每间隔5s读取并记录一次电流表A2的电流值I2，直到电流消失。④以放电电流I2为纵坐标，放电时间t为横坐标，在坐标纸上作出I2－t图像。（1）在电容器的充电过程中，电容器两极板上的电荷量逐渐____________（选填“增大”或“减小”），电流表A1的示数逐渐____________（选填“增大”或“减小”）。（2）由I2－t图像可知，充电结束时电容器储存的电荷量Q＝________C。（结果保留2位有效数字）（3）若步骤②中电压表的示数U＝2.95V，则滑动变阻器接入电路部分的阻值R＝________Ω。（结果保留2位有效数字）（4）类比直线运动中由v－t图像求位移的方法，当电容为C的电容器两板间电压为U时，电容器所储存的电能Ep＝________（请用带有U、C的表达式表示）。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考点二拓展与创新实验用传感器观察电容器的充、放电过程电流传感器可以像电流表一样测量电流。不同的是，它的反应非常快，可以捕捉到瞬间的电流变化。此外，由于它与计算机相连，还能显示出电流随时间变化的I－t图像。本实验中电源电压在8V左右，电容器可选几十微法的电解电容器。1．用传感器观察电容器的充电过程按如图甲所示连接电路。先把S拨至1，并接通足够长的时间，使电容器将所带的电荷量都释放掉，从而不带电。然后把开关S掷向2端，电源向电容器充电，传感器将电流信息传入计算机，屏幕上显示出电流随时间变化的电流—时间图像，如图乙。2．用传感器观察电容器的放电过程按如图丙所示连接电路。先使开关S与1端相连，电源向电容器充电，这个过程可在短时间内完成。然后把开关S掷向2端，电容器通过电阻R放电，传感器将电流信息传入计算机，屏幕上显示出电流随时间变化的I－t图像，如图丁。3．电容器充电（或放电）的I－t图像与时间轴围成的面积表示电容器充电完毕所带的（或放电过程中全部释放的）。电容器充、放电的快慢与电阻R和电容C的大小有关。定性分析如下：电容器充、放电的平均电流＝，而Q＝，所以R越小，t。根据Q＝CU，Q＝，C越大，充满电时的电荷量Q，t。电流传感器可以捕捉到瞬间的电流变化，它与计算机相连，可以显示出电流随时间变化的I－t图像。如图甲所示连接电路。直流电源电动势为9V，内阻可忽略，电容器选用电容较大的电解电容器。先使开关S与1端相连，电源向电容器充电；然后把开关S掷向2端，电容器通过电阻R放电，传感器将电流信息传入计算机。屏幕上显示出电流随时间变化的I－t图像如图乙所示。（1）在如图乙所示的I－t图像中用阴影标记面积的物理意义是________________________。（2）根据I－t图像估算当电容器开始放电时所带的电荷量q0＝________，并计算电容器的电容C＝________。（均保留两位有效数字）（3）如果不改变电路其他参数，只减小电阻R，充电时I－t曲线与横轴所围成的面积将________（选填“增大”“不变”或“变小”）；充电时间将________（选填“变长”“不变”或“变短”），简要说明原因：______________________。图甲是研究电容器的充、放电实验装置，该实验利用高阻值电阻延长放电时间，绘制电容器放电电流与时间的图像（i－t图像）来研究电容器的充、放电规律。根据相关条件，回答下列问题：（1）接通开关S1、S2，电容器的________（选填“上”或“下”）极板带正电，再断开开关S1的瞬间，R中的电流方向________。（2）若断开开关S1，同时开始计时，通过计算机在同一图中描绘出的电压和电流的变化情况的图线如图乙所示，则图中全部阴影部分所围成面积的物理意义是__________________________。图中阴影部分S1面积________（选填“大于”“等于”或“小于”）图中阴影部分S2面积，定值电阻R的阻值为________Ω。用传感器观察电容器的充、放电过程用传感器观察电容器的充、放电过程电流传感器可以像电流表一样测量电流。不同的是，它的反应非常快，可以捕捉到瞬间的电流变化。此外，由于它与计算机相连，还能显示出电流随时间变化的I－t图像，比记录描点要更加准确。如果同时匹配电压传感器，可以得到电压随时间的变化规律。1．（2023高考·新课标卷）在“观察电容器的充、放电现象”实验中，所用器材如下：电池、电容器、电阻箱、定值电阻、小灯泡、多用电表、电流表、秒表、单刀双掷开关以及导线若干。（1）用多用电表的电压挡检测电池的电压。检测时，红表笔应该与电池的___________（填“正极”或“负极”）接触。（2）某同学设计的实验电路如图（a）所示。先将电阻箱的阻值调为R1，将单刀双掷开关S与“1”端相接，记录电流随时间的变化。电容器充电完成后，开关S再与“2”端相接，相接后小灯泡亮度变化情况可能是_______。（填正确答案标号）A．迅速变亮，然后亮度趋于稳定B．亮度逐渐增大，然后趋于稳定C．迅速变亮，然后亮度逐渐减小至熄灭（3）将电阻箱的阻值调为R2（R2＞R1），再次将开关S与“1”端相接，再次记录电流随时间的变化情况。两次得到的电流I随时间t变化如图（b）中曲线所示，其中实线是电阻箱阻值为___________（填“R1”或“R2”）时的结果，曲线与坐标轴所围面积等于该次充电完成后电容器上的___________（填“电压”或“电荷量”）。2．某实验小组利用图（a）所示电路测量一电容器的电容，实验器材有：待测电容器（电容标称值C0＝1000μF）、6节干电池、定值电阻R、电压传感器、电流传感器、计算机、单刀双掷开关S、导线若干。请回答下列问题：（1）按图（a）连接实物电路。先将开关S从2端拨至1端，电源对电容器充电；再将开关S拨至2端，电容器放电。传感器将信息即时输入计算机，屏幕上显示出如图（b）所示的电流I