第九章 静电场 第48课时　观察电容器的充、放电现象　实验增分课学生用

第48课时观察电容器的充、放电现象[实验增分课]实验电路实验过程数据处理误差分析（1）观察电容器充电现象：充电电流由电源的正极流向电容器的正极板，同时，电流从电容器的负极板流向电源的负极，电流表示数逐渐变小，最后为0。（2）观察电容器的放电现象：放电电流由电容器的正极板经过电流表流向电容器的负极板，放电电流逐渐减小，最后为0。充、放电电流的变化是极短暂的（1）整个图像与横轴所围的面积的物理意义是整个充电或放电时间内通过电流表的电荷量，也等于充满电后或放电开始时电容器极板上的电荷量。（2）估算电容器充电或放电过程中电荷量的方法是：先算出一个小方格代表的电荷量，然后数出整个图像与横轴所围的面积中的方格数（大于半个的按一个方格计算，小于半个的舍弃）。电容器充电或放电过程中电荷量为一个小方格代表的电荷量乘以方格数（1）电流测量和读数不准确带来误差；（2）利用I-t图像进行数据处理时也会造成误差【典例1】（2023·新课标卷22题）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”）。难点助攻第（3）问中“将电阻箱的阻值调为R2（R2＞R1），再次将开关S与‘1’端”相接，电容器再次充电，充电开始瞬时的电流大小由公式I＝ER＋r决定，故电阻箱的阻值调为易错排查第（2）问中“开关S再与‘2’端相接”，电容器通过回路立即放电，灯泡迅速变亮，但是放电电流会快速减小至零，灯泡的亮度逐渐减小至熄灭，本题容易错选A项。听课记录如图为“观察电容器的充、放电现象”实验。实验器材：电源E（电动势9.50V，内阻可忽略）、电容器C（标称电容值为470μF，击穿电压为10V）、电阻箱R、微安表G、单刀双掷开关S和导线若干。完成下列实验的相关内容：（1）按照图甲的电路图，把图乙中的器材连接成完整的实验电路。（2）实验步骤：步骤①将开关S打到1，给电容器C充电，观察微安表G的示数变化直到读数稳定；步骤②先打开手机视频录制软件，再将开关S打到2位置，观察并用视频记录电容器C的放电过程中微安表G的示数变化情况；步骤③断开开关S，查阅视频，记录0～160s内，微安表G的读数随时间变化的数据；步骤④在坐标纸上以时间t为横轴，微安表G的读数I为纵轴，描点作出I-t图像，如图丙。（3）分析图丙可知：①电容器放电过程电流的变化规律为：放电电流逐渐（选填“增大”“减小”或“不变”），放电电流随时间的变化率逐渐（选填“增大”“减小”或“不变”）；②图丙中，图像与横轴所包围的面积为86格，则可求得该电容器的电容值为μF。（保留2位有效数字）（4）步骤①中，微安表G的读数稳定时，并不为0，始终保持在12μA，出现这种现象的原因是电容器（选填“短路”或“漏电”）。【典例2】（2023·山东高考14题）电容储能已经在电动汽车，风、光发电，脉冲电源等方面得到广泛应用。某同学设计图甲所示电路，探究不同电压下电容器的充、放电过程，器材如下：电容器C（额定电压10V，电容标识不清）；电源E（电动势12V，内阻不计）；电阻箱R1（阻值0～99999.9Ω）；滑动变阻器R2（最大阻值20Ω，额定电流2A）；电压表V（量程15V，内阻很大）；发光二极管D1、D2，开关S1、S2，电流传感器，计算机，导线若干。回答以下问题：（1）按照图甲连接电路，闭合开关S1，若要升高电容器充电电压，滑动变阻器滑片应向（填“a”或“b”）端滑动。（2）调节滑动变阻器滑片位置，电压表表盘如图乙所示，示数为V（保留1位小数）。（3）继续调节滑动变阻器滑片位置，电压表示数为8.0V时，开关S2掷向1，得到电容器充电过程的I-t图像，如图丙所示。借鉴“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中估算油膜面积的方法，根据图像可估算出充电结束后，电容器存储的电荷量为C（结果保留2位有效数字）。（4）本电路中所使用电容器的电容约为F（结果保留2位有效数字）。（5）电容器充电后，将开关S2掷向2，发光二极管（填“D1”或“D2”）闪光。3步稳解题①实验目的是什么？探究不同电压下电容器的充、放电过程。②实验原理是什么？a.分压式控制电路控制电容器的充电电压。b.在电容器的充电或放电的I-t图像中，图线与t轴包围的面积等于充电完成后电容器上的电荷量或电容器的放电量。c.二极管的单向导电性。③怎样处理数据？a.根据I-t图像，通过数小方格的个数（多于半格的记为1，少于半格的舍去）方法计算充电结束后，电容器存储的电荷量。b.由电容的定义式C＝QU计算电容C听课记录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的“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“增加”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）某同学认为：仍利用上