10-9电容器充放电实验(原卷版)-2024高考一轮复习100考点100讲

2024年高考一轮复习100考点100讲第10章静电场第10.9讲电容器充电放电实验【知识点精讲】[实验目的]1．观察电容器的充、放电现象。2．探究电容器的充、放电过程中，电流、电压、电量及能量的转化过程。[实验原理]1．充电：电源使电容器的两极板带上等量异种电荷的过程。如图1－1甲。图1－12．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。3．电容器充放电时的能量转化：充电后，电容器储存了电能。放电时，储存的电能释放出来，转化为其他形式的能。[实验器材]直流电源、电阻、电容器、电流表（或电流传感器和计算机）、电压表、单刀双掷开关、导线。【温馨提示】电流传感器,与计算机相连,可以测出电容器的放电电流随时间变化关系图像。[实验步骤]1．把直流电源、电阻、电容器、电流表、电压表以及单刀双掷开关组装成实验电路(如图1－2所示)。2．把开关S接1，此时电源给电容器充电。在充电过程中，可以看到电压表示数迅速增大，随后逐渐稳定在某一数值，表示电容器两极板具有一定的电势差。通过观察电流表可以知道，充电时电流由电源的正极流向电容器的负极板。同时，电流从电容器的负极板流向电源的负极。随着两极板之间电势差的增大，充电电流逐渐减小至0，此时电容器两极板带有一定的等量异种电荷。即使断开电源，两极板上电荷由于相互吸引而仍然被保存在电容器中。把电流表、电压表换成电流传感器和电压传感器的电路如图。3．把开关S接2，电容器对电阻R放电。观察电流表可以知道，放电电流由电容器的正极板经过电阻R流向电容器的负极板，正负电荷中和。此时两极板所带的电荷量减小，电势差减小，放电电流也减小，最后两极板电势差以及放电电流都等于0。电容器充电的I——t图像电容器放电的I——t图像[注意事项]1．电容器的电容要大一些，电源的电压在6V左右。2．开关向1闭合时，仔细观察灵敏电流计指针的偏转方向。3．开关向2闭合时，仔细观察灵敏电流计指针的偏转方向。【方法归纳】电容器放电的I——t图像面积表示电容器带电荷量。【最新高考题精练】1.（2023全国新课程卷）22．（6分）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。图（a）图（b）（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R，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，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（2015·海南物理）某同学利用图（a）所示电路测量电容器充电时两极板间的电压随时间的变化。实验中使用的器材为：电池E（内阻很小）、开关和、电容器C（约100）、电阻（约200k）、电阻（1k）、电压表V（量程6V）、秒表、导线若干。(1)按图（a）所示的电路原理将图（b）中实物图连线。(2)先闭合开关，再断开开关：闭合开关，同时按下秒表开始计时。若某时刻电压表示数如图（c）所示，电压表的读数为________V（保留2位小数）。(3)该同学每隔10s记录一次电压表的读数，记录的数据如下表所示，在答题卡给出的坐标纸上绘出图线，已知只有一个数据点误差较大，该数据点对应的表中的时间是______s。(4)电路中C、和构成的回路的作用是___________。【最新模拟题精练】1.(2023湖南长沙一中三模)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。（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，则该电容器的电容为_____μF。（4）关于电容器在整个充，放电过程中的图像和图像的大致形状，可能正确的有______（q为电容器极板所带的电荷量，为A，B两板的电势差）。A．B．C．D．2．（9分）（2023广东茂名市一中三模）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，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图像如图乙所示。（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______；（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）图丙为电压恒为的电源给电容器充电时作出的电流随时间变化的图像，电容器充电完毕后的电荷量为________C，电容器的电容为C=________F。（计算结果均保留两位有效数字）3．（10分）（2023广东二模）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，内阻可忽略）、电容器C（标称电容值为，击穿电压为）、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丙图中，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__________．（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，出现这种现象的原因是电容器__________（选填“短路”或“漏电”）。4.（2023长春三模）某同学利用图甲所示电路观察电容器的充电和放电现象，计算机屏幕显示出放电过程的图像如图乙所示。下列说法正确的是（）A.电容器放电时电子由b向a通过电阻RB.电容器放电过程中电阻R两端电压逐渐增大C.将电阻R换成阻值更大的电阻，放电时间变短D.电容器充电结束所带电荷量约为5．（9分）（2023四川遂宁三诊）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“30V,50Ω”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：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。（保留两位有效数字）6.（2023广州二模）用图甲所示的电路观察电容器的充、放电现象，请完成下列实验内容。（1）实验时，要通过电流表指针的偏转方向来观测电路中电流的方向。因此电流表应采用图乙中的_____（选填“a”、“b”）；（2）依照图中所示的电路图，将图乙的实验器材用笔画线代替导线连接成实验电路_________（图中已有部分连接）：（3）开关S接1后，小灯泡L_______（填选项前的字母）：A.一直不亮B.逐渐变亮，稳定后保持亮度不变C.突然变亮，然后逐渐变暗，直到熄灭（4）开关S接1足够长时间后，再将开关S接2。开关S接2之后电压表读数_____（选填“逐渐增大”“逐渐减小”）；（5）图乙中电容器的电容为____μF。当电容器的电压为10V时其带电量为______C（保留两位有效数字）。7.（2023湖南邵阳二模）随着传感器技术的不断进步，传感器开始在中学实验室逐渐普及。某同学用电流传感器和电压传感器做“观察电容器的充、放电现象”实验，电路如图甲所示。（1）先使开关K与1端相连，电源向电容器充电，这个过程很快完成，充满电的电容器上极板带______电；（2）然后把开关K掷向2端，电容器通过电阻放电，传感器将电流电压信息传入计算机，经处理后得到电流和电压随时间变化的、曲线，如图乙所示；（3）由图乙可知，电容器充满电的电荷量为______，电容器的电容为______；（保留两位有效数字）（4）若将电路中的电阻换成一阻值更大的电阻，把开关K掷向2端电容器放电，请在图乙的左图中定性地画出曲线。（）8.（2023湖南衡阳二模）在“用传感器观察电容器的充放电过程”实验中，按图甲所示连接电路。电源电动势为，内阻可以忽略。单刀双掷开关先跟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。（1）开关改接2后，电容器进行的是______（选填“充电”或“放电”）过程，此过程中流经电阻上的电流方向______（选填“自上而下”或“自下而上”）。实验得到的图像如图乙所示，如果不改变电路其他参数，只减小电阻的阻值，则此过程的曲线与坐标轴所围成的面积将______（选填“减小”“不变”或“增大”）。（2）若实验中测得该电容器在整个放电过程中释放的电荷量，则该电容器的电容为______μF。9.(2023浙江名校新高考研究联盟第一次联考)某兴趣小组利用图1所示的电路，把开关掷向a对给定电容值为C的电容器充电。R表示接入的电阻，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，得到i－t图后经过计算机软件处理得到如图所示的q－t曲线如图2中①②所示。（1）根据q－t图像以下判断正确的是（）A．①②两条曲线不同是E的改变造成的B．①②两条曲线不同是R的改变造成的C．需要对电容器快速充电时，R越小越好D．需要对电容器快速充电时，R越大越好（2）小明同学利用图3和图4的电路图连接电路，分别完成了“测量电源电动势和内阻”和“测量某一段长度已知的电阻丝的电阻率”两个实验，两个电路使用同一电源。①图5是该同学根据实验测得的数据在同一坐标轴上同时作出两个实验的U－I图像，下列说法正确的是（）A．图3中电压表的内阻对实验结果无影响；B．图4中电压表的内阻对实验结果无影响；C．图5可知，电源的电动势为1.49V，内阻为2.5Ω；D．在测量的电阻时，若将滑动变阻器移到最右端，消耗的功率约为0.60W②如图6，用螺旋测微器测得该电阻丝的直径d＝______mm，根据实验所选的电表量程，电压表的示数U＝______V。10.（2022南京三模）(15分)某课外兴趣小组用如图甲所示的电路观察电解电容器的充、放电现象，并测量电容器的电容．(1)粗略观察充放电的电流大小和方向时，应选择表头为________(选填“乙”或“丙”)图的电流表．