实验之观察电容器的充、放电现象-2024-2025学年高考物理一轮复习

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___