2025年《滬科版2020上海高二物理必修第三冊》9.6 電容 電容器 第2課時　實(shí)驗：觀察電容器的充、放電現(xiàn)象（作業(yè)+解析版）

第頁新版滬科版2020上海高二物理必修第三冊9.6電容電容器第2課時實(shí)驗：觀察電容器的充、放電現(xiàn)象1．收音機(jī)中可變電容器作為調(diào)諧電臺使用。如圖為空氣介質(zhì)單聯(lián)可變電容器的結(jié)構(gòu)，它是利用正對面積的變化改變電容器的電容大小，某同學(xué)想要研究這種電容器充、放電的特性，于是將之接到如圖所示的實(shí)驗電路中，實(shí)驗開始時電容器不帶電。（1）首先將開關(guān)S打向1，這時觀察到靈敏電流計G有短暫的示數(shù)，穩(wěn)定后，旋轉(zhuǎn)旋鈕，使電容器正對面積迅速變大，從開始到最終穩(wěn)定，靈敏電流計示數(shù)隨時間變化的圖像可能是______（填選項中的字母）序號A．B．C．D．（2）充電穩(wěn)定后，斷開單刀雙擲開關(guān)，用電壓表接在電容器兩端測量電壓，發(fā)現(xiàn)讀數(shù)緩慢減小，原因是__________________。（3）該同學(xué)做完實(shí)驗，得到電容器的電容后，突然想起他用的是一節(jié)舊電池（電動勢不變，內(nèi)阻不可忽略），他想要得到盡量精確的電容值，_______（填“需要”或“不需要”）重新?lián)Q一節(jié)新電池來測量。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。使用圖甲所示電路觀察電容器的充、放電過程。電路中的電流傳感器可以捕捉瞬時的電流變化，它與計算機(jī)相連，可顯示電流隨時間的變化。圖甲直流電源電動勢、內(nèi)阻不計，充電前電容器帶電量為零。先使S與“1”端相連，電源向電容器充電。充電結(jié)束后，使S與“2”端相連，直至放電完畢。計算機(jī)記錄的電流隨時間變化的I–t曲線如圖乙所示。（1）在電容器充電與放電過程中，通過電阻的電流方向_______（選填“相同”或“相反”）；（2）圖像陰影為I–t曲線圖像與對應(yīng)時間軸所圍成的面積，乙圖中陰影部分的面積_______（選填“>”、“<”或“=”）；（3）已知，則該電容器的電容值為_______法拉（保留兩位有效數(shù)字）；（4）由甲、乙兩圖可判斷阻值_______（選填“>”或“<”）。3．電路中電流大小可以用電流傳感器測量，用電流傳感器和計算機(jī)可以方便地測出電路中電流隨時間變化的曲線。某興趣小組要測定一個電容器的電容，選用器材如下：待測電容器（額定電壓為16V）；電流傳感器和計算機(jī)；直流穩(wěn)壓電源；定值電阻R0＝100Ω、單刀雙擲開關(guān)；導(dǎo)線若干；實(shí)驗過程如下：①按照圖甲正確連接電路；②將開關(guān)S與1端連接，電源向電容器充電；③將開關(guān)S擲向2端，測得電流隨時間變化的i－t圖線如圖乙中的實(shí)線a所示；④利用計算機(jī)軟件測出i－t曲線和兩坐標(biāo)軸所圍的面積。請回答下列問題：（1）已知測出的i－t曲線和兩坐標(biāo)軸所圍的面積為42.3mA·s，則電容器的電容C＝________F；（2）若將定值電阻換為R1＝180Ω，重復(fù)上述實(shí)驗步驟，則電流隨時間變化的i－t圖線應(yīng)該是圖丙中的曲線________（選填“b”或“c”）。4．隨著傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳感器開始在中學(xué)實(shí)驗室逐漸普及。某同學(xué)用電流傳感器和電壓傳感器做“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實(shí)驗，電路如圖甲所示。（1）先使開關(guān)K與1端相連，電源向電容器充電，這個過程很快完成，充滿電的電容器上極板帶______電；（2）然后把開關(guān)K擲向2端，電容器通過電阻放電，傳感器將電流電壓信息傳入計算機(jī)，經(jīng)處理后得到電流和電壓隨時間變化的I–t、U–t曲線，如圖乙所示；（3）由圖乙可知，電容器充滿電的電荷量為______，電容器的電容為______；（保留兩位有效數(shù)字）（4）若將電路中的電阻換成一阻值更大的電阻，把開關(guān)K擲向2端電容器放電，請在圖乙的左圖中定性地畫出I–t曲線。()5．小劉同學(xué)用傳感器做“觀察電容器的充放電”實(shí)驗，采用的實(shí)驗電路如圖甲所示，其中定值電阻R1=120Ω。實(shí)驗過程如下：（1）將開關(guān)先與“1”端閉合，電容器進(jìn)行____________（填“充電”或“放電”），稍后再將開關(guān)擲向“2”端。（2）在下列四個圖像中，表示實(shí)驗過程中通過傳感器的電流隨時間變化的圖像為___________，電容器兩極板間的電壓隨時間變化的圖像為____________。A．B．C．D．（3）若圖乙中的實(shí)線為R1=120Ω時充電電流隨時間變化的曲線，則用R2=80Ω的電阻替換R1后重新充電，充電電流隨時間變化的曲線應(yīng)該是圖乙中的虛線_____________（填“b”“c”或“d”）。6．某興趣小組想自制一個電容器。如圖所示，他們用兩片錫箔紙做電極，在兩層錫箔紙中間夾以電容紙（某種絕緣介質(zhì)），一起卷成圓柱形，然后接出引線，再密封在塑料瓶當(dāng)中，電容器便制成了。（1）為增加該電容器的電容，應(yīng)當(dāng)___________（填正確答案標(biāo)號）。A．增大電容器的充電電壓B．減小電容器的充電電壓C．錫箔紙面積盡可能大D．錫箔紙卷繞得盡可能緊（2）為了測量該電容器電容的大小，由于實(shí)驗室沒有電容計，該小組采用了如圖所示的電路進(jìn)行測量。其中電壓傳感器和電流傳感器可以在計算機(jī)上顯示出電壓和電流隨時間變化的、U–t、I–t圖像。先將開關(guān)S置于a端，電壓和電流隨時間變化圖像分別如圖1、2所示，則該電容器充滿電后所帶的電荷量約為___________C；電容大小約為___________F。（結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字）（3）在（2）問基礎(chǔ)上，電容器充滿電后，時刻再把開關(guān)S置于b端，則以下電流和電壓隨時間變化的圖像符合實(shí)際的是___________（填正確答案標(biāo)號）。7．電流傳感器可以像電流表一樣測量電流，不同的是反應(yīng)比較靈敏，且可以和計算機(jī)相連，能畫出電流與時間的變化圖像。圖甲是用電流傳感器觀察充、放電過程的實(shí)驗電路圖，圖中電源電壓為6V。先使開關(guān)S與1接通，待充電完成后，把開關(guān)S再與2接通，電容器通過電阻放電，電流傳感器將電流信息傳入計算機(jī)，顯示出電流隨時間變化的I－t圖像如圖乙所示。根據(jù)圖像估算出電容器全部放電過程中釋放的電荷量為________C，該電容器電容為________μF。(均保留3位有效數(shù)字)

9.6電容電容器第2課時實(shí)驗：觀察電容器的充、放電現(xiàn)象1．收音機(jī)中可變電容器作為調(diào)諧電臺使用。如圖為空氣介質(zhì)單聯(lián)可變電容器的結(jié)構(gòu)，它是利用正對面積的變化改變電容器的電容大小，某同學(xué)想要研究這種電容器充、放電的特性，于是將之接到如圖所示的實(shí)驗電路中，實(shí)驗開始時電容器不帶電。（1）首先將開關(guān)S打向1，這時觀察到靈敏電流計G有短暫的示數(shù)，穩(wěn)定后，旋轉(zhuǎn)旋鈕，使電容器正對面積迅速變大，從開始到最終穩(wěn)定，靈敏電流計示數(shù)隨時間變化的圖像可能是______（填選項中的字母）序號A．B．C．D．（2）充電穩(wěn)定后，斷開單刀雙擲開關(guān)，用電壓表接在電容器兩端測量電壓，發(fā)現(xiàn)讀數(shù)緩慢減小，原因是__________________。（3）該同學(xué)做完實(shí)驗，得到電容器的電容后，突然想起他用的是一節(jié)舊電池（電動勢不變，內(nèi)阻不可忽略），他想要得到盡量精確的電容值，_______（填“需要”或“不需要”）重新?lián)Q一節(jié)新電池來測量?！敬鸢浮緼

電壓表并非理想電表，電容器通過電壓表放電

不需要【解析】（1）電容器充電時，剛開始電流比較大，充電結(jié)束后，電流為0。由電容器的決定式可知當(dāng)電容器正對面積迅速變大，電容迅速增大，又由Q=CU可得電容器的帶電量Q增加，故電容器再次充電，充電結(jié)束后電流為0。只有A圖像滿足上述描述。故選A。（2）用電壓表接在電容器兩端測量電壓，發(fā)現(xiàn)讀數(shù)緩慢減小，說明電容器在緩慢放電，電路中有電流，電壓表不是理想電壓表。（3）本實(shí)驗測量電容的原理是電容器的帶電量Q由Q=It可由步驟（1）所得的I–t圖線與坐標(biāo)軸圍成的面積求得；充電后兩極板之間電壓則由步驟（2）中的電壓表測得。給電容器充電時由于使用了舊電池，導(dǎo)致充電時電流較小，但最終充電的時間會稍長一點(diǎn)，當(dāng)充電電流等于0的時候，電容器兩端電壓仍然等于電源電動勢，所以電容器最終所帶電量不變，不影響測量結(jié)果。所以不需要更換電池。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。使用圖甲所示電路觀察電容器的充、放電過程。電路中的電流傳感器可以捕捉瞬時的電流變化，它與計算機(jī)相連，可顯示電流隨時間的變化。圖甲直流電源電動勢、內(nèi)阻不計，充電前電容器帶電量為零。先使S與“1”端相連，電源向電容器充電。充電結(jié)束后，使S與“2”端相連，直至放電完畢。計算機(jī)記錄的電流隨時間變化的I–t曲線如圖乙所示。（1）在電容器充電與放電過程中，通過電阻的電流方向_______（選填“相同”或“相反”）；（2）圖像陰影為I–t曲線圖像與對應(yīng)時間軸所圍成的面積，乙圖中陰影部分的面積_______（選填“>”、“<”或“=”）；（3）已知，則該電容器的電容值為_______法拉（保留兩位有效數(shù)字）；（4）由甲、乙兩圖可判斷阻值_______（選填“>”或“<”）。【答案】相反

＝

0.15

＜【解析】（1）由圖甲可知，電容器充電時，通過電阻R0的電流方向向左，放電時通過R0的電流方向向右，故在電容器充電與放電過程中，通過電阻R0的電流方向相反；（2）I–t曲線圖像與對應(yīng)時間軸所圍成的面積表示電荷量，充電和放電電荷量相等，所以乙圖中陰影部分的面積S1=S2。（3）由于電源內(nèi)阻不計，可知電容器兩端電壓等于電源電動勢，則該電容器的電容值為（4）由圖乙可知，充電時的最大電流大于放電時的最大電流，則可知R1<R23．電路中電流大小可以用電流傳感器測量，用電流傳感器和計算機(jī)可以方便地測出電路中電流隨時間變化的曲線。某興趣小組要測定一個電容器的電容，選用器材如下：待測電容器（額定電壓為16V）；電流傳感器和計算機(jī)；直流穩(wěn)壓電源；定值電阻R0＝100Ω、單刀雙擲開關(guān)；導(dǎo)線若干；實(shí)驗過程如下：①按照圖甲正確連接電路；②將開關(guān)S與1端連接，電源向電容器充電；③將開關(guān)S擲向2端，測得電流隨時間變化的i－t圖線如圖乙中的實(shí)線a所示；④利用計算機(jī)軟件測出i－t曲線和兩坐標(biāo)軸所圍的面積。請回答下列問題：（1）已知測出的i－t曲線和兩坐標(biāo)軸所圍的面積為42.3mA·s，則電容器的電容C＝________F；（2）若將定值電阻換為R1＝180Ω，重復(fù)上述實(shí)驗步驟，則電流隨時間變化的i－t圖線應(yīng)該是圖丙中的曲線________（選填“b”或“c”）?！敬鸢浮?.7×10－3

c【解析】（1）由i－t圖像得到開始時電流為I=90mA=0.09A，故最大電壓為U=IR0=0.09×100V=9V故電容為（2）換用阻值為180Ω的定值電阻，根據(jù)則第2次實(shí)驗的最大電流小些，故選c。?4．隨著傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳感器開始在中學(xué)實(shí)驗室逐漸普及。某同學(xué)用電流傳感器和電壓傳感器做“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實(shí)驗，電路如圖甲所示。（1）先使開關(guān)K與1端相連，電源向電容器充電，這個過程很快完成，充滿電的電容器上極板帶______電；（2）然后把開關(guān)K擲向2端，電容器通過電阻放電，傳感器將電流電壓信息傳入計算機(jī)，經(jīng)處理后得到電流和電壓隨時間變化的I–t、U–t曲線，如圖乙所示；（3）由圖乙可知，電容器充滿電的電荷量為______，電容器的電容為______；（保留兩位有效數(shù)字）（4）若將電路中的電阻換成一阻值更大的電阻，把開關(guān)K擲向2端電容器放電，請在圖乙的左圖中定性地畫出I–t曲線。()【答案】正

3.5×10-3

（3.3×10-3~3.7×10-3均可）

4.5×10-4（4.1×10-4~4.6×10-4均可）

【詳解】（1）電容器上極板與電源正極相連，充滿電后上極板帶正電；（3）I–t圖像與坐標(biāo)軸圍成的面積表示電量，一小格的電量為q=0.25×1C=3.5×10-3C，圖中總共約14小格，所以電容器充滿電的電荷量為Q=14q=3.5×10-3C電容器充滿電后電壓為8V，則電容器的電容為C=Q/U=4.5×10-4F（4）將電路中的電阻換成一阻值更大的電阻，放電電流會減小，電量不變，時間會延長，圖像如下圖所示。5．小劉同學(xué)用傳感器做“觀察電容器的充放電”實(shí)驗，采用的實(shí)驗電路如圖甲所示，其中定值電阻R1=120Ω。實(shí)驗過程如下：（1）將開關(guān)先與“1”端閉合，電容器進(jìn)行____________（填“充電”或“放電”），稍后再將開關(guān)擲向“2”端。（2）在下列四個圖像中，表示實(shí)驗過程中通過傳感器的電流隨時間變化的圖像為___________，電容器兩極板間的電壓隨時間變化的圖像為____________。A．B．C．D．（3）若圖乙中的實(shí)線為R1=120Ω時充電電流隨時間變化的曲線，則用R2=80Ω的電阻替換R1后重新充電，充電電流隨時間變化的曲線應(yīng)該是圖乙中的虛線_____________（填“b”“c”或“d”）?！敬鸢浮砍潆?/p>

A

C

c【詳解】（1）開關(guān)與“1”端閉合，電容器與電源相連，進(jìn)行充電；（2）電容器充電電流與放電電流方向相反，充電過程中因為極板的電勢差逐漸增大，兩極板的電勢差逐漸與電動勢接近，因此電流逐漸減小，減小的原來越慢，放電過程中因兩極板的電荷量逐漸減小，所以電勢差也逐漸減小，電流也逐漸減小，減小的原來越慢，故傳感器的電流隨時間變化的圖像為A；充電過程電壓逐漸增大，且增大的越來越慢，放電過程電壓逐漸變小，減小的越來越慢，故電壓隨時間變化的圖像為C；（3）換成R2=80Ω的電阻后，由于可知替換R2后最大充電電流增大，由于i–t曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積即為電荷量，而兩次充電總電荷量相同，因此兩曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積應(yīng)相等，故替換成R2后充電電流隨時間變化的曲線應(yīng)該是圖乙中的c。6．某興趣小組想自制一個電容器。如圖所示，他們用兩片錫箔紙做電極，在兩層錫箔紙中間夾以電容紙（某種絕緣介質(zhì)），一起卷成圓柱形，然后接出引線，再密封在塑料瓶當(dāng)中，電容器便制成了。（1）為增加該電容器的電容，應(yīng)當(dāng)___________（填正確答案標(biāo)號）。A．增大電容器的充電電壓B．減小電容器的充電電壓C．錫箔紙面積盡可能大D．錫箔紙卷繞得盡可能緊（2）為了測量該電容器電容的大小，由于實(shí)驗室沒有電容計，該小組采用了如圖所示的電路進(jìn)行測量。其中電壓傳感器和電流傳感器可以在計算機(jī)上顯示出電壓和電流隨時間變化的、U–t、I–t圖像。先將開關(guān)S置于a端，電壓和電流隨時間變化圖像分別如圖1、2所示，則該電容器充滿電后所帶的電荷量約為___________C；電容大小約為___________F。（結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字）（3）在（2）問基礎(chǔ)上，電容器充滿電后，時刻再把開關(guān)S置于b端，則以下電流和電壓隨時間變化的圖像符合實(shí)際的是___________（填正確答案標(biāo)號）。【答案】CD

3.5×10-5（在2.7×10-5~3.3×10-5范圍內(nèi)均可）

5.0×10-6

（在4.5×10-6~5.5×10-6范圍內(nèi)均可）

BC【詳解】（1）[1]根據(jù)電容決定式可知電容器的電容與充電電壓無關(guān)，為增加該電容器的電容，可以增大S或減小d，所以使錫箔紙面積盡可能大或使錫箔紙卷繞得盡可能緊，都可以增大電容，故AB錯誤，CD正確。故選C