实验十　观察电容器的充、放电现象

6/6实验十观察电容器的充、放电现象考情调研命题特征高考已经将观察电容器的充、放电现象实验变为必考实验，在2023年山东卷和新课标卷高考中都对本实验进行了考查。预计在2025年的高考中，观察电容器的充、放电现象实验作为电学实验出现的几率很大1.考装置：电路连接、器材装配以及其他器材替代。2.考图像：通过I-t图像求解充电或放电电荷量。3.考变化：实验原理创新电容器作为储能器件，在生产生活中有广泛的应用。某同学利用如图甲所示的电路观察电容器的充、放电现象。【实验原理】（1）当开关拨到位置“1”时，电容器接通电源，电容器开始（选填“充电”或“放电”），以后随着极板上电荷量的增多，电流逐渐（选填“增大”或“减小”），当电容器两极板间电压等于电源电压时电路中的电荷停止定向移动，电流I＝0；当开关拨到位置“2”时，电容器开始（选填“充电”或“放电”），随着两极板上电荷量逐渐减小，电路中电流逐渐减小直至减小到零。【实验步骤】（2）根据图甲所示电路，请在图乙中用笔画线代替导线，完成实物电路的连接。（3）拨动开关使电源给电容器充电，一段时间后，拨动开关到另一位置，使电容器放电，每隔5秒读一次微安表的示数。记录好实验结果后，关闭电源。【数据处理】（4）在充电过程中充电电流I随时间t变化的图像可能正确的是。（5）电容器放电过程中记录的部分数据如表中所示。时间t/s0510152025303540455055电流i/μA5003922702091581017549302393请根据表中的数据，在图丙中作出电流i随时间t变化的图像。听课记录1.观察电容器充电现象（1）按照“观察电容器充电的电路图”（如图所示）连接好电路（2）闭合开关，给电容器充电。（3）根据传感器传递给电子计算机的电流信息，通过计算机中的软件将传感器收集的信息拟合成I-t图像，仔细观察I-t图像，可以分析出电容器充电时电流随时间变化的规律（如图所示）。2.观察电容器放电现象（1）按照“观察电容器放电的电路图”（如图所示）连接好电路。（2）先将开关S扳向1，给电容器充电完毕后，将开关扳向2，电容器将通过电阻R放电。（3）根据传感器传递给电子计算机的电流信息，通过计算机中的软件将传感器收集的信息拟合成I-t图像，仔细观察I-t图像，可以分析出电容器放电时电流随时间变化的规律（如图所示）。3.数据处理若实验电路中直流电源电压为8V。（1）在图中画出一个如图所示竖立的狭长矩形（Δt很小），它的面积的物理意义表示在Δt时间内通过电流传感器的电荷量。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传感器的电荷量，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。（3）电容器两极板之间的电压等于电源电动势，由电容器定义式C＝QU估算出电容器的电容C4.注意事项（1）要选择大容量的电容器。（2）实验要在干燥的环境中进行。5.误差分析本实验中的误差来源主要取决于电流传感器的灵敏度与计算机数据收集处理软件的准确性。（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（选填“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（选填“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（选填“电压”或“电荷量”）。【典例】（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端滑动（选填“a”或“b”）。（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（选填“D1”或“D2”）闪光。

三步稳解题（1）分析实验目的：探究不同电压下电容器的充、放电过程。（2）确定实验原理：通过滑动变阻器分压式接法对用电器供电，调节滑动变阻器滑片位置，电容器可获得不同电压。（3）制定数据处理方案：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I-t图像估算出电容器存储的电荷量。听课记录电流传感器可以在电脑端记录电流随时间变化的图像。探究实验小组设计了如图甲所示的实验电路，来探究电容器在不同电路中的充放电现象。（1）第一次探究中先将开关接1，待电路稳定后再接2。探究电容器充电及通过电阻放电的电流规律。①已知电流从右向左流过电流传感器时，电流为正，则与本次实验相符的I-t图像是（填正确答案标号）。②从I-t图像的面积可以计算得出电容器电荷量的大小。关于本次实验探究，下列判断正确的是（填正确答案标号）。A.若只增大电阻箱R的阻值，电容器放电的时间将变短B.若只增大电阻箱R的阻值，I-t图像的面积将增大C.在误差允许的范围内，放电和充电图像的面积应大致相等（2）第二次探究中，该同学先将开关接1给电容器充电，待电路稳定后再接3，探究LC振荡电路的电流变化规律。①探究实验小组得到了振荡电路电流波形图像，选取了开关接3之后的LC振荡电流的部分图像，如图乙所示，根据图像中记录的坐标信息可知，振荡电路的周期T＝s（结果