实验探究课10　观察电容器的充、放电现象-2025版物理大一轮复习

观察电容器的充、放电现象[实验基本技能]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，电路中的电流随时间的变化规律。二、实验原理如图所示，当开关拨到位置“1”时，电源E对电容器充电；当开关拨到位置“2”时，电容器放电。在充电和放电过程中，利用电流计观察电路的电流大小和方向的变化，进而判断电容器两极板储存电荷量的变化及电流随时间的变化规律。三、实验器材电源、单刀双掷开关、平行板电容器、电阻、多用电表、电流表、导线。四、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。3.打开电源，把双掷开关S打到上面，使开关拨到位置“1”，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，使开关拨到位置“2”，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。[规律方法总结]一、数据处理实验项目实验现象电容器充电安培表读数由大到小最后为零电容器放电安培表读数由大到小最后为零二、实验结论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。三、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。考点一教材原型实验1.(实验原理与操作)小理同学利用如图甲所示电路观察电容器的充、放电现象，图乙是毫安表表头。甲乙丙(1)小理先将单刀双掷开关打到1位置，发现毫安表指针向右偏转，电容器开始充电，充电电流逐渐变，此时电容器的上极板带；再将开关打到2位置，发现毫安表指针向偏转，电容器开始放电，放电电流逐渐变小。以上三空格，判断正确的是()A.大、正、右 B.小、正、左C.大、负、右 D.小、负、左(2)小理同学将放电过程所获得的数据绘制成图丙中的a图线(图中实线)。再通过调节电阻箱，增大电阻R，重复电容器的充、放电过程，再收集放电电流的数据，将得到图丙中的曲线(选填“b”或“c”)。小理同学通过观察图像中的(选填“截距”“斜率”或“面积”)，认为在误差允许的范围内，控制充电电压不变，改变电路中的电阻，不会影响电容器放电的电荷量。(3)在“观察电容器的充、放电现象”实验中，以下观点错误的是()A.在ef之间增加一个微型直流小风扇，可以展示电容器是储能元件B.更换电容C值更小的电容器，在电源电压不变的情况下，电容器放电时释放的电荷量仍不变C.将电源电压增大，且不超过电容器的耐压，可以增大电容器放电时释放的电荷量D.将变阻箱转移到mn之间，可以减少电容器的充电时间解析：(1)小理先将单刀双掷开关打到1位置，发现毫安表指针向右偏转，电容器开始充电，充电电流逐渐变小，此时电容器的上极板与电源正极相连，带正电；再将开关打到2位置，电容器放电，通过电容器的电流方向相反，毫安表指针向左偏转，放电电流逐渐变小。故选B。(2)增大电阻R，电容器放电时间延长，对应图中的c曲线；图中电流－时间图像与坐标轴围成的面积表示电容器的放电量，所以小理同学通过观察图像中的面积，认为在误差允许的范围内，控制充电电压不变，改变电路中的电阻，不会影响电容器放电的电荷量。(3)在ef之间增加一个微型直流小风扇，电容器放电时，小风扇工作，可以展示电容器是储能元件，故A正确，不符合题意；更换电容C值更小的电容器，在电源电压不变的情况下，由C＝eq\f(Q,U)，可知电容器的带电量减少，电容器放电时释放的电荷量减少，故B错误，符合题意；将电源电压增大，且不超过电容器的耐压，由C＝eq\f(Q,U)，可知电容器充电后，带电量增大，可以增大电容器放电时释放的电荷量，故C正确，不符合题意；将变阻箱转移到mn之间，可知增大电容器充电电流，可以减少电容器的充电时间，故D正确，不符合题意。故选B。答案：(1)B(2)c面积(3)B2.(数据处理与误差分析)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：甲乙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”)。解析：(1)用平滑的曲线连接，作出图像如图所示。(2)由ΔQ＝I·Δt知，电荷量为i-t图像与横坐标轴所包围的面积，则图乙中图线与横坐标轴所围成面积为电容器在开始放电时所带的电荷量。(3)算出格子数，由总格子数乘以每个格子的“面积”值求得Q＝8.5×10－3C，则C＝eq\f(Q,U)＝eq\f(8.5×10－3,8)F≈1.1×10－3F。(4)若把电压表接在E、D两端，则电容器在放电时，有一部分电荷量会从电压表中通过，从而使得通过电流表的电荷量小于电容器的带电荷量，从而使电容的测量值比它的真实值偏小。答案：(1)图见解析(2)在开始放电时电容器所带的电荷量(3)1.1×10－3(4)偏小考点二拓展创新实验维度1实验器材的创新在“用传感器观察电容器的充放电过程”实验中，按图1所示连接电路。电源电动势为8.0V，内阻可以忽略。单刀双掷开关S先跟2相接，某时刻开关改接1，一段时间后，把开关再改接2。实验中使用了电流传感器来采集电流随时间的变化情况。图1图2(1)如果用欧姆表直接连接待测电容器(未充电)两端，观察到指针的偏转情况是。A.偏转角度一直很小B.偏转角度一直很大C.偏转角度逐渐增大D.偏转角度先很大，再逐渐减小(2)电容器充电后，开关S改接2使电容器进行放电，此过程得到的I-t图像如图2所示，如果不改变电路其他参数，只减小电阻R的阻值，则此过程的I-t曲线与坐标轴所围成的面积将(选填“减小”“不变”或“增大”)。(3)若实验中测得该电容器在整个放电过程中释放的电荷量Q＝3.44×10－3C，则该电容器的电容为μF。(4)(多选)关于电容器在整个充、放电过程中的q-t图像和UAB-t图像的大致形状，可能正确的有(q为电容器极板所带的电荷量，UAB为A、B两板的电势差)。[创新突破]解析：(1)用欧姆表直接连接待测电容两端，表内部电源给电容器充电，在开始时电流较大，所以指针的偏转角度很大，随着电容器所带电荷量不断增大，充电电流逐渐减小，所以指针的偏转角度逐渐减小。故选D。(2)根据Q＝CU，电荷量与电阻值R无关，如果不改变电路其他参考数，只减小电阻R的阻值，则此过程的I-t曲线与坐标轴所围成的面积将不变。(3)根据电容的定义式可得C＝eq\f(Q,U)＝eq\f(3.44×10－3,8)F＝430μF。(4)电容器在充电过程中，电流由最大逐渐减小，放电过程电流也是由最大逐渐减小，根据q＝It图像的倾斜程度表示电流的大小，A正确，B错误；根据电容的定义式可得U＝eq\f(Q,C)＝eq\f(I,C)t，电容器的电容不变，C错误，D正确。故选AD。答案：(1)D(2)不变(3)430(4)AD维度2实验目的的创新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了“峰值”及曲线与时间轴所围“面积”的图。甲乙丙(1)根据题图甲所示的电路，观察题图乙可知：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，是充电还是放电？。上极板带什么电？。(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：____________________________________________________。[创新突破]解析：(1)根据题图甲所示的电路，观察题图乙可知：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，是与电源连接，是充电，且上极板带正电。(3)正确。因为当开关S与2连接，电容器放电的过程中，电容器C与电阻R上的电压大小相等，因此通过对放电曲线进行数据处理后记录的“峰值Um”及曲线与时间轴所围“面积S”，可应用C＝eq\f(Q,U)＝eq\f(S,RUm)计算电容值。答案：(1)相反减小(2)充电带正电(3)见解析【跟踪训练】1.某同学在实验室发现一只电压标称为10V、电容标称模糊的电容器，现他找了以下器材来测该电容器的电容值。蓄电池：20V，内阻可不计电压表：12V，内阻很大定值电阻有三只：10Ω；50Ω；100Ω滑动变阻器：标称为“30V50Ω”一只单刀单掷开关：S1一只单刀双掷开关：S2一台数字电流计，可接电子显示屏，显示电流随时间的变化过程实验操作步骤如下：(1)该同学按图1所示电路图进行组装电路，则定值电阻R1阻值应选Ω。(2)他先闭合开关S1，S2刀片掷于，调节滑动变阻器R2，稳定后读出电压表读数为4V。然后，他把S2刀片掷于，在电子显示屏上得到如图2中的甲曲线。(3)利用单位面积法算得I-t图中甲曲线和两坐标轴所围的面积为0.04mA·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。(4)接着，他以同样的操作步骤，重新调节滑动变阻器R2，在电子显示屏上得到如图2中的乙曲线，则稳定时电压表读数为V。(保留2位有效数字)图1图2解析：(1)根据题意可知蓄电池电压为20V，电压标称为10V，根据串联电阻分压关系可知定值电阻的阻值应选50Ω。(2)他先闭合开关S1，S2刀片掷于b端，调节滑动变阻器R2，稳定后读出电压表读数为4V，电容器充电；然后，他把S2刀片掷于a端，电容器放电。(3)根据I-t图线与坐标轴所围的面积表示电荷量，则C＝eq\f(Q,U)＝eq\f(0.04×10－3,4)F＝1×10－5F。(4)由图可知调节滑动变阻器R2的阻值后，电容释放的电荷量为Q′＝0.07mA·s，稳定时电压表读数即为电容两端的电压U′＝eq\f(Q′,C)＝eq\f(0.07×10－3,1×10－5)V＝7.0V。答案：(1)50(2)b端a端(3)1×10－5(4)7.0(6.9～7.1之间都可以)2.电容器是一种重要的电学元件，在电工、电子技术中应用广泛。某实验小组用如图甲所示的电路研究电容器充、放电情况及电容大小，他们用电流传感器和计算机测出电路中电流随时间变化的曲线。实验时，根据图甲所示的电路原理图连接好电路，t＝0时刻把开关K掷向1端，电容器充电完毕后，再把开关K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。甲乙(1)电容器放电时，流过电阻R的电流方向为(选填“由a到b”或“由b到a”)。(2)乙图中，阴影部分的面积S1S2(选填“>”“<”或“＝”)。(3)如果不改变电路其他参数，只减小电阻R，放电时间将(填“变长”“不变”或“变短”)。(4)图丙为电压恒为8V的电源给电容器充电时作出的电流随时间变化的I-t图像，电容器充电完毕后的电荷量为C，电容器的电容为C＝F。(计算结果均保留2位有效数字)丙解析：(1)电容器充电时上极板接电源正极，故上极板带正电荷，放电时上极板正电荷通过电阻流向下极板，故流过电阻R的电流方向为由a到b。(2)根据电流的定义式I＝eq\f(q,t)则q＝It，乙图中，阴影部分的面积等于充、放电的电荷量，而充放电的电荷量相等，故S1＝S2。(3)根据电流的定义式I＝eq\f(q,t)可得t＝eq\f(q,I)如果不改变电路其他参数，只减小电阻R，则放电电流将增大，由上式可知放电时间将变短。(4)根据I-t图像的面积表示电容器充电完毕后的电荷量，由图知每小格代表的电荷量为q＝It＝eq\f(1,2)×10－3×eq\f(1,2)C＝2.5×10－4C，数出图线包围的格数，满半格或超过半格的算一格，不满半格的舍去，数得格数为32格，则电容器充电完毕后的电荷量为Q＝32×2.5×10－4C＝8.0×10－3C，因从图中数格数有一定误差，故结果也可能为Q＝31×2.5×10－4C＝7.8×10－3C，根据电容的定义知，电容器的电容为C＝eq\f(Q,U)＝eq\f(8.0×10－3,8)F＝1.0×10－3F，因电荷量有一定误差，故电容的计算值也可以是C＝9.8×10－4C。答案：(1)由a到b(2)＝(3)变短(4)8.0×10－3(或7.8×10－3)1.0×10－3(或9.8×10－4)3.(2023·山东卷)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：甲电容器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