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文档简介
实验九观察电容器的充、放电现象
一、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、电量及能量的变化规律。
二、实验原理与器材
1.实验原理
实验电路如图所示,电流表可以测量电容器的充电或放电电流大小,电压表可以测量电容器
两极间的电压。
(1)充电:开关S接1,电源给电容器充电,使电容器的两极板带上等量异种电荷。如图甲所
不O
甲乙
学生用书5第171页
(2)放电:开关S接2,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,
如图乙所示。
(3)电容器充、放电时的能量转化:充电过程电容器储存了电能。放电过程电容器将储存的电
能释放出来,转化为其他形式的能。
2.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。
3.实验拓展:用电流传感器(代替电流表)与计算机相连可以直接测出电容器的放电电流随时
间变化的关系图像。
三、实验步骤与操作
I.按照上面的电路图,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。
2.观察电容器的充电过程: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正极板;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仍然
被保存在电容器中。
3.观察电容器的放电过程:把开关S接2,电容器对电阻尺放电。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。
4.实验拓展:把电流表、电压表换成电流传感器和电压传感器,电路如图所示。
—21
1电
压
专
感器
|计算机|一随需T传
感
器
由计算机可以直接得到:
⑴电容器充电的A图像
1//mA
2匚二二二二二二二二
_______________
1
_S__,口口_-___
二二二二二二二,、二二二二二二二二二二二二
mimiiirhsuxu
(2)电容器放电的/-%图像
,Z/mA
2匚二二二二二二二二
1--X----------------------------
-r一、.rn~n~r-丁
二二二二二二二三二二二二二二二二二二二二
0246t/s
四、实验数据处理
1.在4图像中,图线与时间轴围成的面积表示电荷量的变化。故整个图线与横轴所围的面
积就是整个充电或放电时间内通过电流传感器的电荷量,也等于电容器的充电量或放电量。
2.估算电容器的充电量或放电量的方法:先算出一个小方格代表的电荷量,然后数出整个图
线与横轴所围的面积中的方格数(大于半格的按一个方格计算,小于半格的舍弃)。电容器的
充电量或放电荷量等于一个小方格代表的电荷量乘以方格数。
五、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.实验过程要在干燥的环境中进行。
4.在做放电实验时,在电路中应串联一个电阻,避免烧坏电流表。
学生用书b第172页
考点研析提能力
类型一教材原型实验
例11/2023•新课标卷)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。
⑴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o(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
⑶将电阻箱的阻值调为&(4>凡),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/随时间f变化如图(b)中曲线所示,其中实线是电阻箱阻值为
(填或“治”)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”)o
0
图(b)
答案:⑴正极(2)C⑶心电荷量
解析:(1)多用电表红表笔流入电流,黑表笔流出电流,故电流表红表笔应该与电池的正极接
触。
(2)电容器充电完成后,开始时两极板电量较多,电势差较大,当闭合“2”接入小灯泡,回
路立即形成电流,小灯泡迅速变亮;随着时间的积累,两极板电量变少,电势差变小,流过
灯泡的电流减小,小灯泡亮度逐渐减小,直至两极板电荷量为零不带电,无电流流过小灯泡,
即小灯泡熄灭,故选C。
(3)开始充电时两极板不带电,两极板电势差为零,设电源内阻为厂,则开始充电时有£=/(R
+r),由题图(b)可知开始充电时实线的电流较小,故电路中的电阻较大,因此电阻箱阻值为
&;
根据电流的定义式/=/可知4=〃,故曲线与坐标轴所围面积等于该次充电完成后电容器上的
电荷量。
例国《某同学利用如图(a)所示的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S1和S2、电容器C(约100阳)、电阻R1(约200k。)、
电阻电压表V(量程6V)、秒表、导线若干。
⑴按图(a)所示的电路原理图将图(b)中的实物图连线。
⑵先闭合开关S2,再断开开关S2,闭合开关S1,同时按下秒表开始计时。若某时刻电压表
示数如图⑹所示,电压表的读数为Vo
7?iESi
(b)(c)
(3)该同学每隔10s记录一次电压表的读数,记录的数据如表所示。
时间〃s10.020.030.040.050.060.0
电压UN2.143.454.234.515.005.18
在给出的坐标纸上绘出图线,已知只有一个数据点误差较大,该数据点对应表中的时间是
答案:(1)见解析图(2)3.60(3)见解析图40.0
解析:(1)根据电路图,连接实物图如图甲所示。
(2)电压表的量程为6V,分度值为0.1V,所以读数为3.60V。
(3)先描点,然后用圆滑的曲线将所描的点连接起来,如图乙所示。
从数据中可得出,电压表示数变化得越来越慢,而从40s到50s之间数据变化又突然快了,
所以该数据对应表中的时间为40.0So
对点练.如图为“观察电容器的充、放电现象”实验。实验器材:电源£(电动势9.50V,内
阻可忽略)、电容器C(标称电容值为470四,击穿电压为10V)、电阻箱尺、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:
学生用书》第173页
(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。
⑵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/为横轴,微安表G的读数/为纵轴,描点作出图像,如图
丙所示。
(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12NA,出现这种现象的原因
是电容器(选填“短路"或“漏电”)。
答案:⑴见解析(3)①减小减小②4.5X102⑷漏电
解析:(1)按照题图甲的电路图,连接实物图如图所示。
(3)①由题图丙可知,电容器放电过程电流的变化规律为:放电电流逐渐减小,放电电流随时
间的变化率逐渐减小;
2
②由电容定义C=°=恒/空冷tiF^4.5X10nFo
E9.5
(4)步骤①中,微安表G的读数稳定时,并不为0,始终保持在12uA,出现这种现象的原因
是电容器漏电。
类型二拓展创新实验
例❸"(2023•山东高考)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:
j^,D1
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4(阻值0〜99999.9Q);
滑动变阻器&(最大阻值20。,额定电流2A);
电压表V(量程15V,内阻很大);
发光二极管Di、D?,开关5、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Si,若要升高电容器充电电压,滑动变阻器滑片应向
端滑动(填%”或“6”)。
(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。
乙
⑶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/-/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)。
学生用书》第174页
(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“Di”或“D2”)闪光
答案:(1)Z>(2)6,5(3)3.9X10-3(4)4.9X10^(5)Di
解析:(1)题图甲中滑动变阻器为分压式接法,滑动变阻器滑片左边部分与电容器并联,要
升高电容器两端的电压,滑动变阻器的滑片应向6端移动。
(2)电压表量程为15V,分度值为0.5V,则电压表的示数为6.5V。
1X10-32
(3)题图丙中图线与坐标轴所围图形的面积有39格,则Q=39X-------义受C=3.9X10-3Co
54
39XIO1
(4)由0=C。得C=^-------F^4.9X10-4F„
8.0
(5)电容器充电后,左板电势高,电容器放电时电流由左板经导线流出,故Di闪光。
创新点评
1.实验目的创新:探究不同电压下电容器的充、放电过程。
2.实验原理创新:
(1)利用分压式电路控制电容器的充电电压;
(2)利用了二极管的单向导电性。
3.数据处理创新:
(1)根据/-/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)计算充电结束后
电容器存储的电荷量。
(2)由电容的定义式C=&计算电容C。
例颗《在测比电容器电容值而实袤中将电容器、电压传底器、阻另为3kQ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wl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”。
⑴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“增力口”或“减小”)。
(2)该电容器的电容值为F(结果保留2位有效数字)。
(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。
答案:⑴相反减小(2)1.0X10-2⑶见解析
解析:(1)由题图甲、乙可知,充电和放电时R两端的电势相反,说明流过R的电流方向相反;
电压均随时间减小,说明电流均随时间减小。
⑵根据欧姆定律/=g,图像的面积表示Uf,可知图像面积与R的比值表示电荷量。故极板
R
()1()2
所带最大电荷量。=这1C=0.0609C,该电容器的电容值。=2=迹F^1.0X10-FO
3000U6
⑶该同学的说法正确。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“峰值及曲线与时间轴
所围“面积S”,仍可应用c=g=3计算电容值。
URUm
创新点评
1.实验目的创新:测量电容器的电容。
2.实验器材创新:用电压传感器通过计算机直接描绘出电阻的电压随时间变化的“Y曲线。
3.数据处理创新:利用图像中图线与时间轴围成的面积与R的比值表示电荷量,求得电
容器的带电量,从而求得电容G
对点练.用高值电阻放电法测电容的实验电路图如图甲所示。其原理是测出电容器在充电电
压为U时所带的电荷量0,从而求出其电容C。该实验的操作步骤如下:
Is弋
®5C
⑴按电路图接好实验电路;
(2)接通开关S,调节电阻箱R的阻值,使微安表的指针接近满刻度。记下这时的电压表读数
Uo=6.2V和微安表读数To=490gA;
⑶断开开关S并同时开始计时,每隔5s或10s读一次微安表的读数3将读数记录在预先
设计的表格中;
(4)以l为横坐标,,为纵坐标,建立坐标系。若由实验得到的数据,在图乙中描出了12个点(用
“X”表示),可以估算出当电容器两端电压为5时该电容器所带的电荷量Q约为
C,从而算出该电容器的电容约为F(结果均保留2位有效数字)。
600
500
400
300
200
100
020406080t/s
乙
答案:(4)8.0义10—3(7.8X10P〜8.3*10-3均可)1.3X10-3
解析:(4)用平滑曲线将各点连接,然后数此曲线与坐标轴围成的格子数,超过半格的算一格,
不足半格的舍弃。
每格代表的电量为^=50X10-6X5C=2.5X10-4C
数出的格子数为"=32格,则Qo=〃q=8.OXl(r3c
电容为C=QQ1.3X10-3F。
对应学生
课时测评38观察电容器的充、放电现象;f
用书P429
(时间:30分钟满分:30分)
(本栏目内容,在学生用书中以独立形式分册装订!)
1.(15分)(2024•安徽蚌埠模拟)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6.0V,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
21
接计算机电流A
传感器B
⑴开关S改接2后,电容器进行的是_______(选填“充电”或“放电”)过程。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”)。
0.22468t/s
图2
(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0=3.45X10-3,则该电容器的电
容为JJ.Fo
⑶关于电容器在整个充、放电过程中的q/图像和UABY图像的大致形状,可能正确的有
。为电容器极板所带的电荷量,UAB为A、B两板的电势差)。
答案:⑴放电不变(2)575(3)BD
解析:(1)开关S改接2后,电容器进行的是放电过程;
因/-f图像与坐标轴所围成的面积等于电容器的带电量,则如果不改变电路其他参数,只减
小电阻R的阻值,此过程的曲线与坐标轴所围成的面积将不变。
(2)该电容器的电容为10F=575pF。
U6
(3)电源给电容器充电时,刚开始电荷量的变化率较大,后来变化率减小,放电时,电荷量
变化率刚开始比较大,后来变化率减小,故A错误,B正确;根据。=匕,且。不变可知,
。与U的变化情况相同,故C错误,D正确。故选BD。
2.(15分)(2024•安徽安庆模拟)利用放电法可以测量电容器的电容,让充电后的电容器通过大
电阻R放电,电流传感器A与计算机连接(未画出),记录放电电流随时间变化的图像,可用
系统软件计算出电容器的带电荷量。,0与充电电压。的比值即为电容器的电容C。
(1)实验开始前先判断电容器的好坏:使用多用电表的欧姆挡进行测量,把调零后的多用电表
的红、黑表笔分别接触电容器的两极板,观察到多用电表指针先向右偏转较大角度,后又逐
渐返回到起始位置,此现象说明电容器是(选填“好”或“坏”)的;
(2)图甲、图乙为测量电容的两种电路原理图,学生电源应采用(选填“直流”或“交
流”)电源,先使开关S与1端相连,充电结束后,读出电压表的示数;然后把开关S与2
端相连,测量出电容器的带电荷量。,为了减小误差,在甲、乙两图中,应选___
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