第九章 实验十 观察电容器的充、放电现象

第九章静电场实验十观察电容器的充、放电现象Contents教材帮读透教材融会贯通高考帮研透高考明确方向03练习帮练透好题精准分层01Loremipsumdolorsitamet,consecteturadipisicingelit.目录观察电容器的充、放电现象是课标新增实验，在高考中已经出现了对该实验的考

查，如2023年新课标卷T22、山东卷T14、福建卷T13.本实验可以形象地将电容器

充、放电过程中电流随时间变化的规律呈现出来，更重要的是处理数据时由“i－

t”图像求电容器充、放电的电荷量所用的方法，这对学生领会“微元”“化归”等

思想方法有着积极意义.预计2025年高考中仍会出现该实验的考查.1.实验目的(1)理解电容器的储能特性及其在电路中能量的转换规律.(2)电容器充、放电过程中，电路中的电流和电容器两端电压的变化规律.2.实验原理电容器的充电过程

如图，在充电开始时电流比较[1]

(填“大”或

“小”)，以后随着极板上电荷的增多，电流逐渐[2]

⁠

(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.电容器的放电过程

如图，放电开始电流较[3]

(填“大”或“小”)，随

着两极板上的电荷量逐渐减小，电路中的电流逐渐[4]

⁠

(填“增大”或“减小”)，两极板间的电压也逐渐减

小到零.大减

小大减

小3.实验器材直流电源、导线、单刀双掷开关、电容器、定值电阻、电流表(电流传感器)、电压

表(电压传感器).4.实验步骤(1)按图连接好电路.(2)把单刀双掷开关S打在上面，使触点1和触点2连通，观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，观察电容器的放电现象，并

将结果记录在表格中.(4)记录好实验结果，关闭电源.5.数据处理在I－t图中画出如图所示的竖立的狭长矩形(Δt很小)，它的面积的物理意义是在Δt时

间内通过电流表的电荷量.6.注意事项(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)在做放电实验时，电路中要串联一个电阻，避免烧坏电流表.(4)实验要在干燥的环境中进行.命题点1教材基础实验1.在“用传感器观察电容器的充、放电过程”实验中，按图(a)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.实验中使用电流传感器来采集电流随时间的变化信息，并将

结果输入计算机.(1)为观察电容器C充电时的现象，应将单刀双掷开关S接

(填“1”或“2”).[解析]

充电时必须将电容器接电源，故将单刀双掷开关拨向1.1

(2)在充电过程中，测绘的充电电流i随时间t变化的图像可能正确的是

⁠.A

[解析]

电容器充电时，随着电荷量的增加，电容器两极板间电压升高，电阻R两

端分得的电压减小，电路中电流逐渐减小，电容器两极板间电压增大到等于电源电

压之后，电流减小为零，A正确.(3)用图(a)所示电路来观察电容器C的放电现象：使用电流传感器测量放电过程中电

路的电流，并将结果输入计算机，得到了图(b)所示的电流i与时间t的关系图像.①通过i－t图像可以发现：电容器放电时，电路中的电流减小得越来越

(填“快”或“慢”).慢[解析]

从图(b)中可以看出放电时电流减小得越来越慢(斜率的绝对值表示电流的变化快慢)；

②已知图(b)中图线与坐标轴所围成图形的面积表示电容器放电过程中所释放的电荷量，根据图像可估计电容器放电前所带电荷量Q约为

C，电容器的电容C约为

F.(结果均保留2位有效数字)3.2×10－3

4.0×10－4

(4)关于电容器在整个充、放电过程中的q－t图像和UAB－t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，UAB为A、B两板的电势差).AD

(5)图(c)中实线是实验得到的放电时的i－t图像，如果不改变电路的其他参数，只减

小电阻R的阻值，则得到的i－t图线可能是图(c)中的

(填“①”“②”或

“③”).[解析]

若只减小电阻R的阻值，则开始时刻的电流将增大，i－t图像的纵截距增

大，由于总的电荷量一定，则图像与坐标轴围成的面积相同，故曲线②符合要求.②

(6)改变电源电动势，重复多次上述实验，得到电容器在不同电压U下充满电时所带

的电荷量Q，并作出Q－U图像，则图像应是

⁠.[解析]

对一个特定的电容器，由Q＝CU可知其带电荷量与电压成正比，B正确.B

命题点2创新设计实验2.[2023山东]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(填“a”或“b”).[解析]

滑动变阻器采用分压式接法，根据电路图可知，滑片向b端滑动时，充电

电压升高.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).图乙[解析]

电压表的量程为15V，每个小格表示0.5V，即电压表的分度值为0.5V，

即在本位估读，读得示数为6.5V.6.5

(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).3.8×10－3

图丙

(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“D1”或“D2”)闪光.[解析]

电容器左侧极板为正极板，开关S2掷向2时电容器放电，电流从电容器左

侧流出，结合二极管的单向导电性，易知D1导通并闪光，D2截止不亮.4.8×10－4

D1

1.[2022北京]利用如图所示电路观察电容器的充、放电现象，其中E为电源，R为定

值电阻，C为电容器，

为电流表，

为电压表.下列说法正确的是(

B

)A.充电过程中，电流表的示数逐渐增大后趋于稳定B.充电过程中，电压表的示数迅速增大后趋于稳定C.放电过程中，电流表的示数均匀减小至零D.放电过程中，电压表的示数均匀减小至零B123456[解析]

电容器充电→

电容器放电→

1234562.电流传感器可以捕捉到瞬间的电流变化，它与计算机相连，可以显示出电流随时

间变化的I－t图像.按图甲所示连接电路.直流电源电动势为9V，内阻可忽略，电容

器选用电容较大的电解电容器.先使开关S与1端相连，电源向电容器充电；然后把开

关S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I－t图像如图乙所示.123456(1)在图乙所示的I－t图像中用阴影标记面积的物理意义是

⁠

⁠.[解析]

题图乙中1～3.4s的I－t图线是充电电流随时间变化的规律图线，又I－t图线与t轴所围成的面积表示电荷量，则题图乙中阴影面积的物理意义是通电0.2s电容器增加(或流过电阻R)的电荷量.通电0.2s电容器增加的电荷量(或流过

电阻R的电荷量)

123456(2)根据I－t图像估算当电容器开始放电时所带的电荷量q0＝

⁠

，并计算电容器的电容C＝

.(均保留2

位有效数字)1.8×10－3C(1.7×10－3

C也正确)

2.0×10－4F(1.9×10－4F也正确)

123456

123456(3)如果不改变电路其他参数，只减小电阻R，充电时I－t曲线与横轴所围成的面积

将

(选填“增大”“不变”或“变小”)；充电时间将

(选填“变

长”“不变”或“变短”)，简要说明原因：

⁠.

不变变短充电电流增大1234563.某同学通过实验观察电容器的放电现象，采用的实验电路如图甲所示，已知所用

电解电容器的长引线是其正极，短引线是其负极.(1)按图甲连接好实验电路，开关S应先接到

，再接到

(均选填“1”或

“2”)，观察电容器的放电现象.[解析]

连接好电路图，开关S应先接到1对电容器进行充电，再接到2使电容器放

电，观察电容器的放电现象.1

2

123456(2)根据图甲电路，请在图乙中用笔画线代替导线，完成实物电路的连接.[答案]

如图1所示图1[解析]

根据题图甲所示电路图连接实物电路图，注意电容器正极接电流表正接线

柱，实物电路图如图1所示.123456(3)电容器开始放电的同时开始计时，每隔5s读一次电流表的值i，记录数据如下表.时间t/s0510152025电流i/μA500392270209158101时间t/s303540455055电流i/μA7549302393请根据表中的数据，在图丙中作出电流i随时间t变化的图线.123456[答案]

如图2所示[解析]

根据表中实验数据在题图丙中描出对应点，然后画一条平滑曲线，让尽可

能多的点过曲线，不能过曲线的点大致均匀分布在曲线两侧，作出图像如图2所示.图21234564.在“用传感器观察电容器的充电”实验中，电路图如图甲所示.一位同学使用的电

源电压为8.0V，测得充满电的电容器放电的I－t图像如图乙所示.(1)I－t图线与两坐标轴围成的面积表示的物理意义是

⁠

；若按“数格子”(等于或多于半格算一格，小于半格舍去)法计算，则电容器

在全部放电过程中释放的电荷量约为

C(结果保留2位有效数字).[解析]

电容器的放电图像是一条逐渐下降的曲线，而q＝It，由微元法可知，I－

t图线与坐标轴围成的面积表示放电过程中放出的总的电荷量.图线下约有30格，所

以电容器在全部放电过程中释放的电荷量约为Q＝30×0.0002×0.4C＝2.4×10－3C.放电过程中放出的总的电荷

量2.4×10－3

123456(2)根据以上数据估算电容器的电容为

F(结果保留2位有效数字).

3.0×10－4

(3)如果将电阻R换成一个阻值更大的电阻，则放电过程释放的电荷量

(填

“变多”“不变”或“变少”).[解析]

由于电容器充满电后所带的电荷量一定，所有电荷量将通过电阻释放，

若将电阻R换成一个阻值更大的电阻，对应的I－t图像更加平缓些，但释放电荷的总

量不变.不变123456

5.如图甲所示是利用电流传感器系统研究电容器充电情况的电路图.将电容器C1接入

电路检查无误后进行了如下操作：图甲图乙123456①将S拨至1，并接通足够长的时间；②将S拨至2；③观察并保存计算机屏幕上的I－t图，得到图线Ⅰ(图乙Ⅰ)；④换上电容器C2重复前面的操作，得到图线Ⅱ(图乙Ⅱ).(1)操作①的作用是

⁠.[解析]

由题图甲可知，将S拨至1，电容器与电阻R串联，所以电容器放电，最

终电容器不带电.使电容器不带电图乙123456(2)两个电容器相比较，C1的电容

(填“较大”“较小”或“与C2的电容相

等”).

较大图乙123456(3)由I－t图线可以分析出，两个电容器都充电2s时，C1的电压

(填“大

于”“小于”或“等于”)C2的电压.

小于图乙1234566.[2023新课标]在“观