江蘇版2023版高三一輪總復(fù)習(xí)物理第7章實(shí)驗(yàn)9 觀察電容器的充電、放電現(xiàn)象

觀察電容器的充電、放電現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)與器材選取充電時(shí)電流從電源正極流出，放電時(shí)電容器相當(dāng)于電源，電流從電容器正極流出。eq\o([題組訓(xùn)練])1．下列電容器相關(guān)知識(shí)描述正確的是()甲乙丙丁戊A．圖甲為電容器充電示意圖，充完電后電容器上極板帶正電，兩極板間的電壓U等于電源的電動(dòng)勢(shì)EB．圖乙為電容器放電示意圖，若電容器上極板帶電荷量為＋Q，則放電過(guò)程中通過(guò)安培表的電流方向從右向左，流過(guò)的總電荷量為2QC．圖丙為電解電容器的實(shí)物圖和符號(hào)，圖丁為可變電容器及其符號(hào)，兩種電容使用時(shí)都嚴(yán)格區(qū)分正負(fù)極D．圖戊中的電容器上有“5.5V1.0F”字樣，說(shuō)明該電容器只有兩端加上5.5V的電壓時(shí)電容才為1.0FA[題圖甲為電容器充電過(guò)程，充完電后電容器上極板與電源的正極相連，同時(shí)兩極板間的電壓U等于電源的電動(dòng)勢(shì)E，故A正確；題圖乙為電容器放電過(guò)程，若電容器上極板帶電量為＋Q，則放電過(guò)程中通過(guò)安培表的電流方向從右向左，且流過(guò)的總電量為Q，故B錯(cuò)誤；題圖丙為電解電容器的實(shí)物圖和符號(hào)，題圖丁為可變電容器及其符號(hào)，前者電容器使用時(shí)嚴(yán)格區(qū)分正負(fù)極，后者不用，故C錯(cuò)誤；題圖戊中的電容器上有“5.5V1.0F”字樣，說(shuō)明該電容器兩端電壓最大值為5.5V，而電容與電容器的電壓及電荷量均無(wú)關(guān)，總是為1.0F，故D錯(cuò)誤。故選A。]2．圖甲是觀察電容器放電的電路。先將開關(guān)S與1端相連，電源向電容器充電，然后把開關(guān)S擲向2端，電容器通過(guò)電阻R放電，電流傳感器將電流信息傳入計(jì)算機(jī)，在屏幕上顯示出電流隨時(shí)間變化的I-t曲線如圖乙所示，則下列判斷正確的是()甲乙A．隨著放電過(guò)程的進(jìn)行，該電容器的電容逐漸減小B．根據(jù)I-t曲線可估算出該電容器的電容大小C．根據(jù)I-t曲線可估算出電容器在整個(gè)放電過(guò)程中釋放的電荷量D．電容器充電過(guò)程的I-t曲線電流應(yīng)該隨時(shí)間的增加而增大C[電容器的電容只由電容器本身決定，與電容器所帶電荷量無(wú)關(guān)，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；由q＝It知，I-t曲線中圖線與t軸所圍圖形面積表示電容器在整個(gè)放電過(guò)程中釋放的電荷量，選項(xiàng)B錯(cuò)誤，C正確；電容器充電前電流為零，充電結(jié)束時(shí)電流也為零，故電容器充電過(guò)程的電流應(yīng)該隨時(shí)間先增大后減小，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。]3．用下列器材測(cè)量電容器的電容：一塊多用電表，一臺(tái)直流穩(wěn)壓電源，一個(gè)待測(cè)電容器(額定電壓16V)，定值電阻R1＝100Ω，定值電阻R2＝150Ω，電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)，單刀雙擲開關(guān)S，導(dǎo)線若干。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：實(shí)驗(yàn)次數(shù)實(shí)驗(yàn)步驟第1次①將電阻R1等器材按照?qǐng)D甲正確連接電路，將開關(guān)S與1端連接，電源向電容器充電。②將開關(guān)S擲向2端，測(cè)得電流隨時(shí)間變化的i-t曲線如圖乙中的實(shí)線a所示。第2次③用電阻R2替換R1，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟①②，測(cè)得電流隨時(shí)間變化的i-t曲線如圖丙中的某條虛線所示。說(shuō)明：兩次實(shí)驗(yàn)中電源輸出的直流電壓恒定且相同。甲乙丙請(qǐng)完成下列問(wèn)題：(1)第1次實(shí)驗(yàn)中，電阻R1兩端的最大電壓U＝______V。利用計(jì)算機(jī)軟件測(cè)得i-t曲線和兩坐標(biāo)軸所圍的面積為90mA·s，已知電容器放電時(shí)其內(nèi)阻可以忽略不計(jì)，則電容器的電容為C＝__________F。(2)第2次實(shí)驗(yàn)中，電流隨時(shí)間變化的i-t曲線應(yīng)該是圖丙中的虛線__________(選填“b”“c”或“d”)，判斷依據(jù)是_____________________________________________________________________。[解析](1)由題圖知，最大電流為Im＝90mA＝0.09A，因此最大電壓為Um＝ImR1＝9V；曲線下圍的面積表示電容器的帶電荷量Q＝90mA·s，根據(jù)電容器的定義式可得C＝eq\f(Q,U)＝1.0×10－2F。(2)根據(jù)Im＝eq\f(Um,R)，因第2次實(shí)驗(yàn)的最大放電電流小些，而曲線下圍的面積相等，因此不是b、d，故電流隨時(shí)間變化的曲線應(yīng)該是虛線c。[答案](1)91.0×10－2(2)c兩次放電電荷量相等，圖形與t軸圍成的面積相等，另由于R2>R1，開關(guān)擲向2瞬間放電電流較小實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析電容器充放電的電流不是恒定的，是變化的，電荷量的計(jì)算需利用i-t圖線，i-t曲線與坐標(biāo)軸圍成面積表示對(duì)應(yīng)的電荷量，大于半格的算一格，小于半格的不算。eq\o([題組訓(xùn)練])1．小明同學(xué)想根據(jù)學(xué)習(xí)的知識(shí)，估測(cè)一個(gè)電容器的電容。他從實(shí)驗(yàn)室找到8V的穩(wěn)壓直流電源、單刀雙擲開關(guān)、電流傳感器(與電腦相連，能描繪出電流i隨時(shí)間t變化的圖線)、定值電阻和導(dǎo)線若干，連成如圖甲所示的電路。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下，完成相應(yīng)的填空(所有結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)。甲乙(1)先使開關(guān)S與1端相連，電源給電容器充電(充滿)。(2)開關(guān)S擲向2端，電容器放電，此時(shí)電路中有短暫的電流。流過(guò)電阻R的電流方向?yàn)開_______(填“從右向左”或“從左向右”)。(3)傳感器將電流信息傳入計(jì)算機(jī)，屏幕上顯示出電流隨時(shí)間變化的i-t曲線如圖乙所示。(4)根據(jù)圖像估算出電容器在全部放電過(guò)程中釋放的電荷量為________C。(5)根據(jù)前面的信息估算出該電容器的電容為______F。[解析](2)開關(guān)S與1端相連，電源給電容器充電，電容器上極板與電源正極相連，上極板帶正電；開關(guān)S擲向2端，電容器放電，流過(guò)電阻R的電流方向?yàn)閺挠蚁蜃蟆?電流從電容器正極板出發(fā)經(jīng)R到負(fù)極板)(4)電荷量為Q＝31×0.2mA×0.4s≈2.5×10－3C(5)電容器的電容為C＝eq\f(Q,U)＝eq\f(2.5×10－3,8)F≈3.1×10－4F。[答案](2)從右向左(4)2.5×10－3C(2.4×10－3～2.6×10－3C均可)(5)3.1×10－4F(3.0×10－4～3.3×102．如圖甲所示是一種測(cè)量電容的實(shí)驗(yàn)電路圖，實(shí)驗(yàn)是通過(guò)對(duì)高阻值電阻放電的方法，測(cè)出電容器充電至電壓U時(shí)所帶電量Q，從而再求出電容器的電容C。某同學(xué)在一次實(shí)驗(yàn)時(shí)的情況如下：接通開關(guān)S，調(diào)節(jié)電阻箱R的阻值，使小量程電流表的指針偏轉(zhuǎn)接近滿刻度，記下此時(shí)電流表的示數(shù)是I0＝490μA，電壓表的示數(shù)U0＝8.0V，I0、U0分別是電容器放電時(shí)的初始電壓和電流。斷開開關(guān)S，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，每隔5s測(cè)讀一次電流I的值，將測(cè)得數(shù)據(jù)填入表格，并標(biāo)在圖乙坐標(biāo)紙上(時(shí)間t為橫坐標(biāo)、電流i為縱坐標(biāo))，結(jié)果如圖中小黑點(diǎn)“·”所示。甲乙(1)在圖乙中畫出i-t圖線，圖線與坐標(biāo)軸所圍成面積的物理意義是____________________________________________________________________。(2)該電容器電容為________F(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)。(3)若某同學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)把電壓表接在F、D兩端，則電容的測(cè)量值比它的真實(shí)值________(選填“大”“小”或“相等”)。[解析](1)由ΔQ＝IΔt知，電荷量為i-t圖像與坐標(biāo)軸所包圍的面積，則面積為電容器在開始放電時(shí)所帶的電荷量。(2)查出格子數(shù)，由總格子數(shù)乘以每個(gè)格子的“面積”值求：Q＝35×50×10－6×5C≈8.8×10－3C則C＝eq\f(Q,U)＝eq\f(8.8×10－3,8)F＝1.1×10－3F。(3)電容的測(cè)量值比它的真實(shí)值偏小，原因是若把電壓表接在F、D兩端，則電容器在放電時(shí)，有一部分電荷量會(huì)從電壓表中通過(guò)，從而使得通過(guò)電流表中的電荷量小于電容器的帶電量，從而使電容的測(cè)量值比它的真實(shí)值偏小。[答案](1)在開始放電時(shí)電容器所帶的電荷量(2)1.1×10－3(3)小3．電容器作為儲(chǔ)能器件，在生產(chǎn)生活中有廣泛的應(yīng)用。對(duì)給定電容值為C的電容器充電，無(wú)論采用何種充電方式，其兩極間的電勢(shì)差u隨電荷量q的變化圖像都相同。(1)請(qǐng)?jiān)趫D甲中畫出上述u-q圖像。類比直線運(yùn)動(dòng)中由v-t圖像求位移的方法，求兩極間電壓為U時(shí)電容器所儲(chǔ)存的電能Ep＝________。甲(2)在如圖乙所示的充電電路中，R表示電阻，E表示電源(忽略內(nèi)阻)。通過(guò)改變電路中元件的參數(shù)對(duì)同一電容器進(jìn)行兩次充電，對(duì)應(yīng)的q-t曲線如圖丙中①②所示。a．①②兩條曲線不同是________(選填“E”或“R”)的改變?cè)斐傻摹．電容器有時(shí)需要快速充電，有時(shí)需要均勻充電。依據(jù)a中的結(jié)論，說(shuō)明實(shí)現(xiàn)這兩種充電方式的途徑_________________________________________________________________________________________________________________。乙丙(3)設(shè)想使用理想的“恒流源”替換(2)中電源對(duì)電容器充電，可實(shí)現(xiàn)電容器電荷量隨時(shí)間均勻增加。請(qǐng)思考使用“恒流源”和(2)中電源對(duì)電容器的充電過(guò)程，填寫下表。(選填“增大”“減小”或“不變”)“恒流源”(2)中電源電源兩端電壓________________通過(guò)電源的電流________________[解析](1)由電容器電容定義式可得：C＝eq\f(q,u)，整理得：u＝eq\f(1,C)q，所以u(píng)-q圖像應(yīng)為過(guò)原點(diǎn)的傾斜直線，如圖所示。由題可知，兩極間電壓為U時(shí)電容器所儲(chǔ)存的電能即為圖線與橫軸所圍面積，即Ep＝eq\f(uQ,2)，當(dāng)兩極間電壓為U時(shí)，電荷量為Q＝CU，所以Ep＝eq\f(CU2,2)。(2)a．由于電源內(nèi)阻不計(jì)，當(dāng)電容器充滿電后電容器兩端電壓即電源的電動(dòng)勢(shì)，電容器最終的電量為：Q＝CE，由q-t圖像可知，兩種充電方式最終的電荷量相同，只是時(shí)間不同，所以①②曲線不同是R的改變?cè)斐傻摹．由題圖丙可知，要快速度充電時(shí)，只要減小圖乙中的電阻R，要均勻充電時(shí)，只要適當(dāng)增大圖乙中的電阻R即可。(3)在電容器充電過(guò)程中電容器的左極板帶正電，