新教材适用2024-2025学年高中物理第10章静电场中的能量4.电容器的电容第2课时实验：观察电容器的充放电学案新人教版必修第三册

第2课时试验：视察电容器的充、放电课程标准1．会正确连接电路，仔细视察电容器的充、放电过程。2．知道电容器的充、放电现象中能量的转换。素养目标科学思维了解电容器充、放电现象及能量转化科学看法与责任会正确连接电路，仔细视察电容器的充、放电过程1．试验原理(1)电容器的充电过程如图甲所示，当开关S接1时，电容器接通电源，在电场力的作用下自由电子从正极板经过电源向负极板移动，正极板因_失去__电子带_正__电，负极板因_获得__电子而带_负__电。正、负极板带_等量__的正、负电荷。电荷在移动的过程中形成电流。在充电起先时电流比较_大__(填“大”或“小”)，以后随着极板上电荷的增多，电流渐渐_减小__(填“增大”或“减小”)，当电容器两极板间电压等于电源电压时电荷停止定向移动，电流I＝0。甲乙丙(2)电容器的放电过程如图乙所示，当开关S接2时，将电容器的两极板干脆用导线连接起来，电容器正、负极板上电荷发生_中和__。在电子定向移动过程中，形成电流，放电起先电流较_大__(填“大”或“小”)，随着两极板上的电荷量渐渐减小，电路中的电流渐渐_减小__(填“增大”或“减小”)，两极板间的电压也渐渐减小到零。试验器材：6V的直流电源、单刀双掷开关、平行板电容器、电流表、电压表、小灯泡。2．试验步骤(1)按图丙连接好电路。(2)把单刀双掷开关S打在上面，使触点1和触点2连通，视察电容器的充电现象，并将结果记录在表格中。(3)将单刀双掷开关S打在下面，使触点3和触点2连通，视察电容器的放电现象，并将结果记录在表格中。(4)记录好试验结果，关闭电源。试验记录和分析：试验项目试验现象电容器充电灯泡灯泡的亮度由_明__到_暗__最终_熄灭__(选填“明”“暗”或“熄灭”)电流表1电流表1的读数由_大__到_小__最终为_零__(选填“大”“小”或“零”)电压表电压表的读数由_小__(选填“大”或“小”)到_大__(选填“大”或“小”)最终为_6_V__电容器放电灯泡灯泡的亮度由_明__到_暗__最终_熄灭__(选填“明”“暗”或“熄灭”)电流表2电流表2的读数由_大__到_小__最终为_零__(选填“大”“小”或“零”)电压表电压表的读数由_大__(选填“大”或“小”)到_小__(选填“大”或“小”)最终为_零__3.留意事项(1)电流表要选用小量程的灵敏电流计。(2)要选择大容量的电容器。(3)试验要在干燥的环境中进行。(4)在做放电试验时，在电路中串联一个电阻，以免烧坏电流表。探究电容器充、放电现象的定性分析典例剖析典题1如图所示为电容器、电源、小灯泡等元件连成的电路，电源电压恒为4V，电容为100μF，下列说法正确的是(B)A．闭合开关前，电容器电容为0B．闭合开关，该电容器最多储存的电荷量为4×10－4CC．闭合开关，电流表中有持续电流D．断开开关，电容器放电解析：电容的大小由电容器本身确定，与是否接入电路无关，故A项错误；闭合开关后，电容器的电压最高为4V，电容器的电容为100μF，该电容器最多储存的电荷量Q＝CU＝100×10－6×4C＝4×10－4C，故B项正确；电容器的电压达到4V后充电停止，电容器相当于断路，电流表中没有电流，故C项错误；断开开关，由于无法形成回路，电容器无法放电，故D项错误。对点训练❶(2024·江苏盐城高二学业考试)如图所示，开关S由1改接2后，电容器的(C)A．电容为零 B．电容变大C．存储电能削减 D．电荷量可能不变解析：开关S接1时，电源对电容器充电，开关S由1改接2后，电容器放电，存储电能削减，极板电荷量削减，C正确，D错误；电容器的电容由内部结构确定，与充、放电过程无关，电容不为零且保持不变，A、B错误。探究电容器充、放电现象的定量计算典例剖析典题2某同学利用电流传感器探讨电容器的放电过程，他按如图甲所示连接电路。先使开关S接1，电容器很快充电完毕。然后将开关掷向2，电容器通过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改变的I－t曲线如图乙所示。他进一步探讨滑动变阻器的阻值大小对曲线的影响。先断开S，将滑片P向右移动一段距离，再重复以上充、放电操作，又得到一条I－t曲线。关于这条曲线，下列推断正确的是(D)A．曲线与坐标轴所围面积将增大B．曲线与坐标轴所围面积将减小C．曲线与纵轴交点的位置将向上移动，放电时间变短D．曲线与纵轴交点的位置将向下移动，放电时间变长解析：因为I－t图线与坐标轴所围成的面积表示电容器放电的电荷量，而电容器的带电量Q＝CU，没有改变，所以曲线与坐标轴所围面积不变，故A、B错误；将滑片P向右移动时，变阻器接入电路的电阻增大，由闭合电路的欧姆定律可知，将开关掷向2时电容器起先放电时的电流减小，则曲线与纵轴交点的位置将向下移动，且电荷量不变，即曲线与坐标轴所围面积不变，故放电时间会变长，故C错误，D正确。对点训练❷(多选)某同学用如图甲所示的电路视察电容器的放电过程，电源电压为12V，开关S接1时为电容器充电，待电容器完全充溢电再将开关S接2，利用电流传感器记录电容器放电过程，得到该电容器放电过程的I－t图像如图乙所示，下列说法正确的是(BD)A．充电时，电源每搬运相同的电荷量到电容器极板做功都相同B．放电时，电容器和电阻R两端电压均减小C．电容器的电容约为280μFD．电容器的电容约为140μF解析：电源搬运电荷到电容器极板做功为W＝q(U′－U)，充电时，电源电压U′不变，电容器两端电压U增大，则电源每搬运相同的电荷量q到电容器极板做功W减小，故A项错误；放电时，由Q＝CU，可知电容器两端电压渐渐减小，由题图乙可知放电电流渐渐减小，则依据UR＝IR可知，电阻R两端电压UR减小，故B项正确；因为电荷量Q＝It，依据I－t图像的含义可知图像与时间轴所围的面积表示整个放电过程中释放的电荷量，依据横轴与纵轴的数据可知一个格子的电荷量为q1＝0.2×0.2×10－3C＝4×10－5C，所以释放的电荷量约为Q＝nq1＝43×4×10－5C＝1.72×10－3C，电容器的电容约为C＝eq\f(Q,U′)＝eq\f(1.72×10－3,12)F＝1.43×10－4F＝143μF，故C项错误，D项正确。1．如图所示试验中，关于平行板电容器的充、放电，下列说法正确的是(A)A．开关接1时，平行板电容器充电，且上极板带正电B．开关接1时，平行板电容器充电，且上极板带负电C．开关接2时，平行板电容器充电，且上极板带正电D．开关接2时，平行板电容器充电，且上极板带负电解析：开关接1时，平行板电容器充电，上极板与电源正极相连而带正电，A对，B错；开关接2时，平行板电容器放电，放电结束后上、下极板均不带电，C、D错。2．(多选)(2024·四川内江高二上月考)如图是一个由电池、电阻R、开关S与平行板电容器组成的串联电路，开关S闭合。一带电液滴悬浮在两板间P点不动，下列说法正确的是(AD)A．带电液滴带负电B．增大两极板距离的过程中，带电液滴将向上加速运动C．在靠近B板处插入云母片，电阻R中将有从a到b的电流D．若断开S，减小两极板间距离的过程中，带电液滴仍旧悬浮不动解析：电容器的上极板和电源的正极相连，下极板和电源的负极相连，电容器中电场方向竖直向下，一带电液滴悬浮在两板间P点不动，所受重力和电场力平衡，重力方向竖直向下，则电场力方向竖直向上，与电场方向相反，则液滴带负电，故A正确；电容器和电源相连，电容器极板间电压不变，增大极板间的距离，依据匀强电场场强公式E＝eq\f(U,d)，可知电场强度减小，液滴受到的电场力减小，合力竖直向下，带电液滴将向下加速运动，故B错误；在靠近B板处插入云母片，依据平行板电容器电容确定式C＝eq\f(εrS,4πkd)，可知电容器电容C增大，依据电容定义式C＝eq\f(Q,U)，可知极板带电量Q增加，电容器充电，电阻R中将有从b到a的电流，故C错误；断开S后，电容器带电量保持不变，依据上述公式可得E＝eq\f(4πkQ,εrS)，减小两极板间距离的过程中，电场强度不变，液滴受到的电场力不变，带电液滴仍旧悬浮不动，故D正确。3.(2024·豫南九校高三上联考)运用如图所示的电路视察电容器C的充、放电过程，若开关先接1再接2，则通过电流传感器的电流i、电容器左极板所带电荷量q、电容器两极板间场强E、电容器两极板间某点处电势φ分别随时间t改变的关系中可能正确的是(C)解析：开关接1时电容器充电，电流渐渐减小，左极板电荷量渐渐增大，两极板间场强E＝eq\f(U,d)＝eq\f(q,Cd)，电容器两极板间的场强渐渐增大；电容器左极板接地，电势为0且比右极板电势高，则极板间电势为负值，距左极板x处电势φ＝－Ex，渐渐降低。开关接2时电容器放电，电流反向，渐渐减小，故A错误；左极板电荷量渐渐减小，但电性不变，故B错误；电场强度与电荷量的改变趋势相同，也减小，故C正确；两极板间某点处电势为负值，故D错误。4．(多选)(2024·福建三明高二期末)如图甲为探究一电容器充电特性的电路。两次试验中电容器的电荷量q随时间t改变图像如乙图中①②所示，第一次充电时电容器两端电压U与电荷量q改变图像如图丙所示。不计电源内阻，则(BD)A．其次次充电时，电容器U－q图像斜率比丙图大B．第一次充电过程中t1时刻比t2时刻电流大C．①②两条曲线形态不同是由于E不同引起的D．①②两条曲线形态不同是由于R不同引起的解析：因为两次充电用同一个电容器，所以由电容的定义式C＝eq\f(q,U)可知，同一个电容器所带电荷量与两板间的电势差成正比，故其次次充电时电容器两端的电压U随电荷量q改变的图线斜率与丙图中图线斜率相同，故A错误；依据I＝eq\f(Δq,Δt)可知，电流等于q－t图像的斜率，所以第一次充电时t1时刻的电流大于t2时刻的电流，故B正确；依据q＝CU，①②两次充电稳定后的电荷量q相同，则U相同，表明电源电压相同，则这两次充电的电源相同，第①次的斜率大，表示充电的电流大，电阻的阻值小，所以①②两条曲线不同是R的不同造成的，故C错误，D正确。故选BD。5．(2024·北京一模)在如图装置中，将开关S拨至1可以给电容器充电，拨至2可以让电容器放电，通过电压表、电流表的示数，可以视察电容器充、放电过程中电压和电流的改变状况。则下列说法中正确的是(B)A．充电过程中，电压表、电流表示数渐渐增大B．放电过程中，电压表、电流表示数渐渐减小C．充电过程中，电容器电容渐渐增大D．放电过程中，电流减小的越来越快解析：电容器充电过程中，电流表的示数渐渐减小，电压表测量的是电容器两端的电压，示数渐渐增大，故A错误；电容器放电过程中，电容器带电荷量渐渐减小，依据C＝eq\f(Q,U)，电容器两端的电压渐渐减小，流过电阻的电流渐渐减小，故B正确；电容器电容由电容器本身确定，不会随充电过程发生改变，故C错误；放电过程中，电流减小的越来越慢，D错误。6．(2024·江苏扬州中学高三阶段测试)如图所示的电路可将声音信号转化为电信号，该电路中右侧金属板b固定不动，镀有金属层的振动膜a能在声波驱动下沿水平方向振动，若声源S沿水平方向做有规律的振动，则(A)A．a振动过程中，灵敏电流计中有大小和方向改变的电流B．a振动过程中，ab板所带电荷量不变C．a振动过程中，ab板间的电场强度不变D．a向右的位移最大时，ab两板所构成的电容器的电容最小解析：a振动过程中，a