實驗探究課10　觀察電容器的充、放電現(xiàn)象-2025版物理大一輪復(fù)習(xí)

觀察電容器的充、放電現(xiàn)象[實驗基本技能]一、實驗?zāi)康?.理解電容器的儲能特性及其在電路中能量的轉(zhuǎn)換規(guī)律。2.理解電容器充、放電過程中，電路中的電流隨時間的變化規(guī)律。二、實驗原理如圖所示，當(dāng)開關(guān)撥到位置“1”時，電源E對電容器充電；當(dāng)開關(guān)撥到位置“2”時，電容器放電。在充電和放電過程中，利用電流計觀察電路的電流大小和方向的變化，進而判斷電容器兩極板儲存電荷量的變化及電流隨時間的變化規(guī)律。三、實驗器材電源、單刀雙擲開關(guān)、平行板電容器、電阻、多用電表、電流表、導(dǎo)線。四、實驗步驟1.調(diào)節(jié)直流可調(diào)電源，輸出為6V，并用多用電表校準(zhǔn)。2.關(guān)閉電源開關(guān)，正確連接實物圖。3.打開電源，把雙擲開關(guān)S打到上面，使開關(guān)撥到位置“1”，觀察電容器的充電現(xiàn)象，并將結(jié)果記錄在數(shù)據(jù)處理的表格中。4.把雙擲開關(guān)S打到下面，使開關(guān)撥到位置“2”，觀察電容器的放電現(xiàn)象，并將結(jié)果記錄在數(shù)據(jù)處理的表格中。5.記錄好實驗結(jié)果，關(guān)閉電源。[規(guī)律方法總結(jié)]一、數(shù)據(jù)處理實驗項目實驗現(xiàn)象電容器充電安培表讀數(shù)由大到小最后為零電容器放電安培表讀數(shù)由大到小最后為零二、實驗結(jié)論1.觀察電容器充電現(xiàn)象：充電電流由電源的正極流向電容器的正極板，同時，電流從電容器的負(fù)極板流向電源的負(fù)極，電流表示數(shù)逐漸變小，最后為0。2.觀察電容器的放電現(xiàn)象：放電電流由電容器的正極板經(jīng)過電流表流向電容器的負(fù)極板，放電電流逐漸減小，最后為0。充、放電電流的變化是極短暫的。三、注意事項1.電流表要選用小量程的靈敏電流表。2.要選擇大容量的電容器。3.實驗過程中要在干燥的環(huán)境中進行。4.在做放電實驗時，在電路中串聯(lián)一個電阻，避免燒壞電流表?？键c一教材原型實驗1.(實驗原理與操作)小理同學(xué)利用如圖甲所示電路觀察電容器的充、放電現(xiàn)象，圖乙是毫安表表頭。甲乙丙(1)小理先將單刀雙擲開關(guān)打到1位置，發(fā)現(xiàn)毫安表指針向右偏轉(zhuǎn)，電容器開始充電，充電電流逐漸變，此時電容器的上極板帶；再將開關(guān)打到2位置，發(fā)現(xiàn)毫安表指針向偏轉(zhuǎn)，電容器開始放電，放電電流逐漸變小。以上三空格，判斷正確的是()A.大、正、右 B.小、正、左C.大、負(fù)、右 D.小、負(fù)、左(2)小理同學(xué)將放電過程所獲得的數(shù)據(jù)繪制成圖丙中的a圖線(圖中實線)。再通過調(diào)節(jié)電阻箱，增大電阻R，重復(fù)電容器的充、放電過程，再收集放電電流的數(shù)據(jù)，將得到圖丙中的曲線(選填“b”或“c”)。小理同學(xué)通過觀察圖像中的(選填“截距”“斜率”或“面積”)，認(rèn)為在誤差允許的范圍內(nèi)，控制充電電壓不變，改變電路中的電阻，不會影響電容器放電的電荷量。(3)在“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實驗中，以下觀點錯誤的是()A.在ef之間增加一個微型直流小風(fēng)扇，可以展示電容器是儲能元件B.更換電容C值更小的電容器，在電源電壓不變的情況下，電容器放電時釋放的電荷量仍不變C.將電源電壓增大，且不超過電容器的耐壓，可以增大電容器放電時釋放的電荷量D.將變阻箱轉(zhuǎn)移到mn之間，可以減少電容器的充電時間解析：(1)小理先將單刀雙擲開關(guān)打到1位置，發(fā)現(xiàn)毫安表指針向右偏轉(zhuǎn)，電容器開始充電，充電電流逐漸變小，此時電容器的上極板與電源正極相連，帶正電；再將開關(guān)打到2位置，電容器放電，通過電容器的電流方向相反，毫安表指針向左偏轉(zhuǎn)，放電電流逐漸變小。故選B。(2)增大電阻R，電容器放電時間延長，對應(yīng)圖中的c曲線；圖中電流－時間圖像與坐標(biāo)軸圍成的面積表示電容器的放電量，所以小理同學(xué)通過觀察圖像中的面積，認(rèn)為在誤差允許的范圍內(nèi)，控制充電電壓不變，改變電路中的電阻，不會影響電容器放電的電荷量。(3)在ef之間增加一個微型直流小風(fēng)扇，電容器放電時，小風(fēng)扇工作，可以展示電容器是儲能元件，故A正確，不符合題意；更換電容C值更小的電容器，在電源電壓不變的情況下，由C＝eq\f(Q,U)，可知電容器的帶電量減少，電容器放電時釋放的電荷量減少，故B錯誤，符合題意；將電源電壓增大，且不超過電容器的耐壓，由C＝eq\f(Q,U)，可知電容器充電后，帶電量增大，可以增大電容器放電時釋放的電荷量，故C正確，不符合題意；將變阻箱轉(zhuǎn)移到mn之間，可知增大電容器充電電流，可以減少電容器的充電時間，故D正確，不符合題意。故選B。答案：(1)B(2)c面積(3)B2.(數(shù)據(jù)處理與誤差分析)圖甲是一種測量電容器電容的實驗電路圖，實驗是通過對高阻值電阻放電的方法，測出電容器充電至電壓U時所帶電荷量Q，從而求出待測電容器的電容C。某同學(xué)在一次實驗時的情況如下：甲乙A.按如圖甲所示的電路圖接好電路；B.接通開關(guān)S，調(diào)節(jié)電阻箱R的阻值，使電流表的指針偏轉(zhuǎn)接近滿刻度，記下此時電流表的示數(shù)是I0＝490μA，電壓表的示數(shù)U0＝8.0V；C.斷開開關(guān)S，同時開始計時，每隔5s測讀一次電流i的值，將測得數(shù)據(jù)填入表格，并標(biāo)示在圖乙的坐標(biāo)紙上(時間t為橫坐標(biāo)，電流i為縱坐標(biāo))，如圖乙中小黑點所示。(1)在圖乙中畫出i-t圖像。(2)圖乙中圖線與橫坐標(biāo)軸所圍成面積的物理意義是。(3)該電容器電容為F(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)。(4)若某同學(xué)實驗時把電壓表接在E、D兩端，則電容的測量值比它的真實值(選填“偏大”“偏小”或“相等”)。解析：(1)用平滑的曲線連接，作出圖像如圖所示。(2)由ΔQ＝I·Δt知，電荷量為i-t圖像與橫坐標(biāo)軸所包圍的面積，則圖乙中圖線與橫坐標(biāo)軸所圍成面積為電容器在開始放電時所帶的電荷量。(3)算出格子數(shù)，由總格子數(shù)乘以每個格子的“面積”值求得Q＝8.5×10－3C，則C＝eq\f(Q,U)＝eq\f(8.5×10－3,8)F≈1.1×10－3F。(4)若把電壓表接在E、D兩端，則電容器在放電時，有一部分電荷量會從電壓表中通過，從而使得通過電流表的電荷量小于電容器的帶電荷量，從而使電容的測量值比它的真實值偏小。答案：(1)圖見解析(2)在開始放電時電容器所帶的電荷量(3)1.1×10－3(4)偏小考點二拓展創(chuàng)新實驗維度1實驗器材的創(chuàng)新在“用傳感器觀察電容器的充放電過程”實驗中，按圖1所示連接電路。電源電動勢為8.0V，內(nèi)阻可以忽略。單刀雙擲開關(guān)S先跟2相接，某時刻開關(guān)改接1，一段時間后，把開關(guān)再改接2。實驗中使用了電流傳感器來采集電流隨時間的變化情況。圖1圖2(1)如果用歐姆表直接連接待測電容器(未充電)兩端，觀察到指針的偏轉(zhuǎn)情況是。A.偏轉(zhuǎn)角度一直很小B.偏轉(zhuǎn)角度一直很大C.偏轉(zhuǎn)角度逐漸增大D.偏轉(zhuǎn)角度先很大，再逐漸減小(2)電容器充電后，開關(guān)S改接2使電容器進行放電，此過程得到的I-t圖像如圖2所示，如果不改變電路其他參數(shù)，只減小電阻R的阻值，則此過程的I-t曲線與坐標(biāo)軸所圍成的面積將(選填“減小”“不變”或“增大”)。(3)若實驗中測得該電容器在整個放電過程中釋放的電荷量Q＝3.44×10－3C，則該電容器的電容為μF。(4)(多選)關(guān)于電容器在整個充、放電過程中的q-t圖像和UAB-t圖像的大致形狀，可能正確的有(q為電容器極板所帶的電荷量，UAB為A、B兩板的電勢差)。[創(chuàng)新突破]解析：(1)用歐姆表直接連接待測電容兩端，表內(nèi)部電源給電容器充電，在開始時電流較大，所以指針的偏轉(zhuǎn)角度很大，隨著電容器所帶電荷量不斷增大，充電電流逐漸減小，所以指針的偏轉(zhuǎn)角度逐漸減小。故選D。(2)根據(jù)Q＝CU，電荷量與電阻值R無關(guān)，如果不改變電路其他參考數(shù)，只減小電阻R的阻值，則此過程的I-t曲線與坐標(biāo)軸所圍成的面積將不變。(3)根據(jù)電容的定義式可得C＝eq\f(Q,U)＝eq\f(3.44×10－3,8)F＝430μF。(4)電容器在充電過程中，電流由最大逐漸減小，放電過程電流也是由最大逐漸減小，根據(jù)q＝It圖像的傾斜程度表示電流的大小，A正確，B錯誤；根據(jù)電容的定義式可得U＝eq\f(Q,C)＝eq\f(I,C)t，電容器的電容不變，C錯誤，D正確。故選AD。答案：(1)D(2)不變(3)430(4)AD維度2實驗?zāi)康牡膭?chuàng)新在測定電容器電容值的實驗中，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。實驗得到的與電壓傳感器相連接的計算機所記錄的電壓隨時間變化的u-t曲線如圖乙所示，圖丙為由計算機對圖乙進行數(shù)據(jù)處理后記錄了“峰值”及曲線與時間軸所圍“面積”的圖。甲乙丙(1)根據(jù)題圖甲所示的電路，觀察題圖乙可知：充電電流與放電電流方向(選填“相同”或“相反”)，大小都隨時間(選填“增加”或“減小”)。(2)當(dāng)開關(guān)接“1”時，是充電還是放電？。上極板帶什么電？。(3)某同學(xué)認(rèn)為：仍利用上述裝置，將電壓傳感器從電阻兩端改接在電容器的兩端，也可以測出電容器的電容值。請你分析并說明該同學(xué)的說法是否正確：____________________________________________________。[創(chuàng)新突破]解析：(1)根據(jù)題圖甲所示的電路，觀察題圖乙可知：充電電流與放電電流方向相反，大小都隨時間減小。(2)當(dāng)開關(guān)接“1”時，是與電源連接，是充電，且上極板帶正電。(3)正確。因為當(dāng)開關(guān)S與2連接，電容器放電的過程中，電容器C與電阻R上的電壓大小相等，因此通過對放電曲線進行數(shù)據(jù)處理后記錄的“峰值Um”及曲線與時間軸所圍“面積S”，可應(yīng)用C＝eq\f(Q,U)＝eq\f(S,RUm)計算電容值。答案：(1)相反減小(2)充電帶正電(3)見解析【跟蹤訓(xùn)練】1.某同學(xué)在實驗室發(fā)現(xiàn)一只電壓標(biāo)稱為10V、電容標(biāo)稱模糊的電容器，現(xiàn)他找了以下器材來測該電容器的電容值。蓄電池：20V，內(nèi)阻可不計電壓表：12V，內(nèi)阻很大定值電阻有三只：10Ω；50Ω；100Ω滑動變阻器：標(biāo)稱為“30V50Ω”一只單刀單擲開關(guān)：S1一只單刀雙擲開關(guān)：S2一臺數(shù)字電流計，可接電子顯示屏，顯示電流隨時間的變化過程實驗操作步驟如下：(1)該同學(xué)按圖1所示電路圖進行組裝電路，則定值電阻R1阻值應(yīng)選Ω。(2)他先閉合開關(guān)S1，S2刀片擲于，調(diào)節(jié)滑動變阻器R2，穩(wěn)定后讀出電壓表讀數(shù)為4V。然后，他把S2刀片擲于，在電子顯示屏上得到如圖2中的甲曲線。(3)利用單位面積法算得I-t圖中甲曲線和兩坐標(biāo)軸所圍的面積為0.04mA·s，已知電容器放電時其內(nèi)阻可以忽略不計，則電容器的電容為C＝F。(4)接著，他以同樣的操作步驟，重新調(diào)節(jié)滑動變阻器R2，在電子顯示屏上得到如圖2中的乙曲線，則穩(wěn)定時電壓表讀數(shù)為V。(保留2位有效數(shù)字)圖1圖2解析：(1)根據(jù)題意可知蓄電池電壓為20V，電壓標(biāo)稱為10V，根據(jù)串聯(lián)電阻分壓關(guān)系可知定值電阻的阻值應(yīng)選50Ω。(2)他先閉合開關(guān)S1，S2刀片擲于b端，調(diào)節(jié)滑動變阻器R2，穩(wěn)定后讀出電壓表讀數(shù)為4V，電容器充電；然后，他把S2刀片擲于a端，電容器放電。(3)根據(jù)I-t圖線與坐標(biāo)軸所圍的面積表示電荷量，則C＝eq\f(Q,U)＝eq\f(0.04×10－3,4)F＝1×10－5F。(4)由圖可知調(diào)節(jié)滑動變阻器R2的阻值后，電容釋放的電荷量為Q′＝0.07mA·s，穩(wěn)定時電壓表讀數(shù)即為電容兩端的電壓U′＝eq\f(Q′,C)＝eq\f(0.07×10－3,1×10－5)V＝7.0V。答案：(1)50(2)b端a端(3)1×10－5(4)7.0(6.9～7.1之間都可以)2.電容器是一種重要的電學(xué)元件，在電工、電子技術(shù)中應(yīng)用廣泛。某實驗小組用如圖甲所示的電路研究電容器充、放電情況及電容大小，他們用電流傳感器和計算機測出電路中電流隨時間變化的曲線。實驗時，根據(jù)圖甲所示的電路原理圖連接好電路，t＝0時刻把開關(guān)K擲向1端，電容器充電完畢后，再把開關(guān)K擲向2端，電容器通過電阻R放電，傳感器將電流信息傳入計算機，屏幕上顯示出電流隨時間變化的I-t圖像如圖乙所示。甲乙(1)電容器放電時，流過電阻R的電流方向為(選填“由a到b”或“由b到a”)。(2)乙圖中，陰影部分的面積S1S2(選填“>”“<”或“＝”)。(3)如果不改變電路其他參數(shù)，只減小電阻R，放電時間將(填“變長”“不變”或“變短”)。(4)圖丙為電壓恒為8V的電源給電容器充電時作出的電流隨時間變化的I-t圖像，電容器充電完畢后的電荷量為C，電容器的電容為C＝F。(計算結(jié)果均保留2位有效數(shù)字)丙解析：(1)電容器充電時上極板接電源正極，故上極板帶正電荷，放電時上極板正電荷通過電阻流向下極板，故流過電阻R的電流方向為由a到b。(2)根據(jù)電流的定義式I＝eq\f(q,t)則q＝It，乙圖中，陰影部分的面積等于充、放電的電荷量，而充放電的電荷量相等，故S1＝S2。(3)根據(jù)電流的定義式I＝eq\f(q,t)可得t＝eq\f(q,I)如果不改變電路其他參數(shù)，只減小電阻R，則放電電流將增大，由上式可知放電時間將變短。(4)根據(jù)I-t圖像的面積表示電容器充電完畢后的電荷量，由圖知每小格代表的電荷量為q＝It＝eq\f(1,2)×10－3×eq\f(1,2)C＝2.5×10－4C，數(shù)出圖線包圍的格數(shù)，滿半格或超過半格的算一格，不滿半格的舍去，數(shù)得格數(shù)為32格，則電容器充電完畢后的電荷量為Q＝32×2.5×10－4C＝8.0×10－3C，因從圖中數(shù)格數(shù)有一定誤差，故結(jié)果也可能為Q＝31×2.5×10－4C＝7.8×10－3C，根據(jù)電容的定義知，電容器的電容為C＝eq\f(Q,U)＝eq\f(8.0×10－3,8)F＝1.0×10－3F，因電荷量有一定誤差，故電容的計算值也可以是C＝9.8×10－4C。答案：(1)由a到b(2)＝(3)變短(4)8.0×10－3(或7.8×10－3)1.0×10－3(或9.8×10－4)3.(2023·山東卷)電容儲能已經(jīng)在電動汽車，風(fēng)、光發(fā)電、脈沖電源等方面得到廣泛應(yīng)用。某同學(xué)設(shè)計圖甲所示電路，探究不同電壓下電容器的充、放電過程，器材如下：甲電容器C(額定電壓10V，電容標(biāo)識不清)；電源E(電動勢12V，內(nèi)阻不計)；電阻箱R1(阻值0～99999.9Ω