2025版高考物理全程一輪復(fù)習(xí)第九章靜電場及其應(yīng)用靜電場中的能量實(shí)驗十觀察電容器的充放電現(xiàn)象學(xué)案

實(shí)驗十觀察電容器的充、放電現(xiàn)象一、基本原理與操作原理裝置圖操作要領(lǐng)1.電容器的充電過程開關(guān)S接1時，電源給電容器充電，電容器帶電量、電壓逐漸增大，電流逐漸減小，最后電流為零，如圖甲所示．2．電容器的放電過程開關(guān)S接2時，電容器負(fù)極板上負(fù)電荷與正極板上正電荷中和，兩極板的電荷量逐漸減小，電流逐漸減小，最后電壓也逐漸減為零，如圖乙所示．二、實(shí)驗過程1．按如圖所示的電路圖正確連接實(shí)物圖。2．將單刀雙擲開關(guān)S接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．3．把單刀雙擲開關(guān)S接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．4．記錄好實(shí)驗結(jié)果，關(guān)閉電源．三、數(shù)據(jù)處理實(shí)驗項目實(shí)驗現(xiàn)象電容器充電燈泡亮度由明到暗最后熄滅電流表A1讀數(shù)由大到小最后為零電壓表讀數(shù)由小到大最后為6V電容器放電燈泡亮度由明到暗最后熄滅電流表A2讀數(shù)由大到小最后為零電壓表讀數(shù)由大到小最后為零四、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(shí)驗過程要在干燥的環(huán)境中進(jìn)行．4．在做放電實(shí)驗時，在電路中串聯(lián)一個電阻，避免燒壞電流表．考點(diǎn)一教材原型實(shí)驗例1[2023·新課標(biāo)卷]在“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實(shí)驗中，所用器材如下：電池、電容器、電阻箱、定值電阻、小燈泡、多用電表、電流表、秒表、單刀雙擲開關(guān)以及導(dǎo)線若干．(1)用多用電表的電壓擋檢測電池的電壓．檢測時，紅表筆應(yīng)該與電池的________(填“正極”或“負(fù)極”)接觸．(2)某同學(xué)設(shè)計的實(shí)驗電路如圖(a)所示．先將電阻箱的阻值調(diào)為R1，將單刀雙擲開關(guān)S與“1”端相接，記錄電流隨時間的變化．電容器充電完成后，開關(guān)S再與“2”端相接，相接后小燈泡亮度變化情況可能是________(填正確答案標(biāo)號)．A．迅速變亮，然后亮度趨于穩(wěn)定B．亮度逐漸增大，然后趨于穩(wěn)定C．迅速變亮，然后亮度逐漸減小至熄滅(3)將電阻箱的阻值調(diào)為R2(R2>R1)，再次將開關(guān)S與“1”端相接，再次記錄電流隨時間的變化情況．兩次得到的電流I隨時間t變化如圖(b)中曲線所示，其中實(shí)線是電阻箱阻值為________(填“R1”或“R2”)時的結(jié)果，曲線與坐標(biāo)軸所圍面積等于該次充電完成后電容器上的________(填“電壓”或“電荷量”)．例2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．(1)小理先將單刀雙拋開關(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________電；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?。陨先崭?，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(shí)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(shí)驗中，以下觀點(diǎn)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考點(diǎn)二探索創(chuàng)新實(shí)驗例3某同學(xué)利用圖(a)所示電路測量一電容器的電容，將開關(guān)S從2端撥至1端，電源對電容器充電；再將開關(guān)S撥至2端，電容器放電．回答下列問題：(1)下表記錄了放電過程中某個時刻t的物理量及其變化，在表中①②③空格處填上合理的答案；放電過程中某個時刻t通過電阻R的電流方向(選填“a→b”或“b→a”)①______通過電阻R的電流正在增大還是減?、赺_____電容器兩端的電壓正在增大還是減小③______(2)充電過程中，電流傳感器和電壓傳感器將信息即時輸入計算機(jī)，屏幕上顯示出如圖(b)所示的電流I、電壓U隨時間t變化的I-t圖線、U-t圖線．根據(jù)圖(b)估算當(dāng)電容器剛開始放電時所帶的電荷量Q＝________C，計算電容器的電容C＝________F；已知待測電容器電容標(biāo)稱值為C0＝900μF，則測量值C與C0的差異為C0?C例4如圖A所示，在兩個相同豎直方向放置的平行導(dǎo)電板之間連接一電源，電源輸出電壓及兩板間電壓無法直接測得．將一個帶電小球懸掛在兩板之間的絕緣細(xì)線上．實(shí)驗中可以改變小球的電荷量q并用靜電計測量，帶電小球能在兩平行板內(nèi)達(dá)到平衡．本實(shí)驗是為了測出兩帶等量異種電荷的平行板間勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度．(1)除了小球的電荷量q，還需要測量的物理量是______________和__________________．(2)以電荷量和重力加速度之比qg為橫軸，______________為縱軸，將實(shí)驗數(shù)據(jù)繪圖后，能線性擬合出一條直線．再根據(jù)圖像求出直線的斜率為k，則平行板間電場強(qiáng)度E(3)如圖B所示，第1組同學(xué)將球懸掛在一根較長的絕緣細(xì)線下，使球在靠近板中心的地方達(dá)到平衡；第2組同學(xué)用一根短絕緣細(xì)線將球懸掛起來，使球在靠近板邊緣的地方達(dá)到平衡．第______組(選填“1”或“2”)的實(shí)驗裝置更合適，理由是________________________________________________________________________________________________________________________________________________.實(shí)驗十觀察電容器的充、放電現(xiàn)象關(guān)鍵能力·分層突破例1解析：(1)多用電表紅表筆流入電流，黑表筆流出電流，故電流表紅表筆應(yīng)該與電池的正極接觸．(2)電容器充電完成后，開始時兩極板電量較多，電勢差較大，當(dāng)閉合“2”接入小燈泡，回路立即形成電流，燈泡迅速變亮；隨著時間的積累，兩極板電量變少，電勢差變小，流過燈泡的電流減小，直至兩極板電荷量為零不帶電，則無電流流過，小燈泡熄滅，故選C.(3)開始充電時兩極板不帶電，兩極板電勢差為零，設(shè)電源內(nèi)阻為r，則開始充電時有E＝I(R＋r)由圖像可知開始充電時實(shí)線的電流較小，故電路中的電阻較大，因此電阻箱阻值為R2；圖像的物理意義為充電過程中電流隨時間的變化圖線，故曲線與坐標(biāo)軸所圍面積等于該次充電完成后電容器上的電荷量．答案：(1)正極(2)C(3)R2電荷量例2解析：(1)小理先將單刀雙拋開關(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，通過毫安表的電流方向相反，毫安表指針向左偏轉(zhuǎn)，放電電流逐漸變?。蔬xB.(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＝QU，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＝QU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)移到答案：(1)B(2)c面積(3)B例3解析：(1)①電容器上極板帶正電，放電時，電流從正極板經(jīng)電阻流向負(fù)極板，故通過R的電流方向是b→a.②放電時，電流減小．③放電時，電壓減?。?2)根據(jù)I-t圖線與坐標(biāo)軸所圍的面積表示電容器所帶的電荷量，所圍的面積有8格，則Q＝8×0.4×2×10－3C＝6.4×10－3C，此時電壓為8V，可計算電容器的電容C＝QU＝6.4×10?將C和C0代入公式，可得C0答案：(1)b→a減小減小(2)6.4×10－38.0×10－411例4解析：(1)小球靜止?fàn)顟B(tài)，受力分析得Eq＝mgtanθ除了小球的電荷量q，還需要測量的物理量是小球的質(zhì)量m，細(xì)線與豎直方向的夾角θ.(2)根據(jù)平衡關(guān)系式得tanθ＝E將實(shí)驗數(shù)據(jù)繪圖后，能線性擬合出一條直線，故縱坐標(biāo)應(yīng)該為夾角的正切值tanθ；