第四講　實(shí)驗(yàn)：觀察電容器的充、放電現(xiàn)象

第四講實(shí)驗(yàn)：觀察電容器的充、放電現(xiàn)象

[把握經(jīng)典實(shí)驗(yàn)方案]一、基本原理與操作原理電路圖操作要領(lǐng)觸點(diǎn)1、2連通，給電容器充電，觸點(diǎn)2、3連通，電容器放電1.安裝：斷開開關(guān)S，根據(jù)電路圖正確連接實(shí)物圖，注意各電表的“＋、－”接線柱的接法及量程。2.操作：觀察電容器充電、放電時(shí)燈泡的亮暗變化和各電表示數(shù)的變化情況二、實(shí)驗(yàn)核心關(guān)鍵點(diǎn)1．理清充放電過(guò)程2．觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[融通多彩實(shí)驗(yàn)方案]1．魯科版新教材——觀察電容器的充、放電現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)電路圖：[要點(diǎn)解讀](1)電壓表、電解電容器正、負(fù)極不能接反。(2)連接電路時(shí)開關(guān)要斷開，電壓表量程選擇適當(dāng)。2．粵教版新教材——觀察電容器的充、放電現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)電路圖：[要點(diǎn)解讀](1)用電流傳感器和電壓傳感器采集電容器充電、放電過(guò)程中電流、電壓的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，得出I-t、U-t圖線。(2)利用I-t圖線與t軸所圍面積表示電容器充、放電的電荷量Q，從而尋找Q與U的關(guān)系。[歸納共性實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵]1．不變的實(shí)驗(yàn)原理通過(guò)觀察連接在回路中的電流表和電壓表示數(shù)變化，得出電容器充、放電過(guò)程的特點(diǎn)。2．必備的實(shí)驗(yàn)器材直流電源、導(dǎo)線、單刀雙擲開關(guān)、電容器、定值電阻、電流表(電流傳感器)、電壓表(電壓傳感器)。3．共同的注意事項(xiàng)(1)連接電路時(shí)注意電流表和電壓表的正、負(fù)極和量程。(2)對(duì)電解電容器也要注意正、負(fù)極。(3)要選擇電容較大的電容器。(4)實(shí)驗(yàn)過(guò)程要在干燥的環(huán)境中進(jìn)行?？挤ㄒ粚?shí)驗(yàn)原理與操作1．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D1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。(2)在如圖2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3中①②所示。a．①②兩條曲線不同是________(選填“E”或“R”)的改變?cè)斐傻?；b．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。(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

“恒流源”(2)中電源電源兩端電壓增大不變通過(guò)電源的電流不變減小[關(guān)鍵點(diǎn)撥](1)電容器充電時(shí)電流流向正極板，電容器放電時(shí)電流從正極板流出，且充、放電時(shí)電流均逐漸減小至零。(2)電容器充、放電過(guò)程中，電容器的電容保持不變，極板帶電荷量和電壓成正比關(guān)系變化。(3)在U-q圖像中斜率表示電容的倒數(shù)，圖線和橫坐標(biāo)圍成的面積表示所儲(chǔ)存的電勢(shì)能Ep。

考法二數(shù)據(jù)處理和誤差分析3.如圖甲所示是用高電阻放電法測(cè)電容的實(shí)驗(yàn)電路圖。其原理是測(cè)出電容器在充電電壓為U時(shí)所帶的電荷量Q，從而求出其電容C。該實(shí)驗(yàn)的操作步驟如下：(1)按電路圖連接好實(shí)驗(yàn)電路；(2)接通開關(guān)S，調(diào)節(jié)電阻箱R的阻值，使微安表的示數(shù)接近滿刻度，記下這時(shí)的電壓表讀數(shù)U0＝6.2V和微安表讀數(shù)I0＝490μA；(3)斷開開關(guān)S并同時(shí)開始計(jì)時(shí)，每隔5s或10s讀一次微安表的讀數(shù)i，將讀數(shù)記錄在預(yù)先設(shè)計(jì)的表格中；(4)根據(jù)表格中的12組數(shù)據(jù)，以t為橫坐標(biāo)，i為縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)(圖中用“×”表示)，如圖乙所示。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果和圖像，可以估算出當(dāng)電容器兩端電壓為U0時(shí)該電容器所帶的電荷量Q0約為______C，從而算出該電容器的電容約為________F。答案：8×10－3

1.3×10－3[關(guān)鍵點(diǎn)撥](1)在i-t圖像中，圖線與坐標(biāo)軸所圍成的面積表示電容器的電荷量。求解該面積時(shí)，可以畫上小方格，利用查小方格的方法計(jì)算。(2)在同一電源和電容器組成的電路中，電容器充電后電容器的電荷量為定值，即i-t圖像中，圖線與坐標(biāo)軸圍成的面積不變。

[例1]

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________________________________________________________________________________________________________________。[答案]

(1)9

1×10－2

(2)c兩次放電電荷量相等，圖線與t軸圍成部分的面積相等，另由于R2>R1，開關(guān)擲向2瞬間放電電流較小[例2]在測(cè)定電容器電容值的實(shí)驗(yàn)中，將電容器、電壓傳感器、阻值為3kΩ的電阻R、電源、單刀雙擲開關(guān)按圖甲所示電路圖進(jìn)行連接。先使開關(guān)S與1端相連，電源向電容器充電，充電完畢后把開關(guān)S擲向2端，電容器放電，直至放電完畢。實(shí)驗(yàn)得到的與電壓傳感器相連接的計(jì)算機(jī)所記錄的電壓隨時(shí)間變化的u-t曲線，如圖乙所示，圖丙為由計(jì)算機(jī)對(duì)圖乙進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后記錄的“峰值”及曲線與時(shí)間軸所圍“面積”。(1)根據(jù)圖甲所示的電路，觀察圖乙可知：充電電流與放電電流方向_____(選填“相同”或“相反”)，大小都隨時(shí)間______(選填“增大”或“減小