實(shí)驗(yàn)十　觀察電容器的充、放電現(xiàn)象

6/6實(shí)驗(yàn)十觀察電容器的充、放電現(xiàn)象考情調(diào)研命題特征高考已經(jīng)將觀察電容器的充、放電現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)變?yōu)楸乜紝?shí)驗(yàn)，在2023年山東卷和新課標(biāo)卷高考中都對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了考查。預(yù)計(jì)在2025年的高考中，觀察電容器的充、放電現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)作為電學(xué)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的幾率很大1.考裝置：電路連接、器材裝配以及其他器材替代。2.考圖像：通過I-t圖像求解充電或放電電荷量。3.考變化：實(shí)驗(yàn)原理創(chuàng)新電容器作為儲(chǔ)能器件，在生產(chǎn)生活中有廣泛的應(yīng)用。某同學(xué)利用如圖甲所示的電路觀察電容器的充、放電現(xiàn)象?！緦?shí)驗(yàn)原理】（1）當(dāng)開關(guān)撥到位置“1”時(shí)，電容器接通電源，電容器開始（選填“充電”或“放電”），以后隨著極板上電荷量的增多，電流逐漸（選填“增大”或“減小”），當(dāng)電容器兩極板間電壓等于電源電壓時(shí)電路中的電荷停止定向移動(dòng)，電流I＝0；當(dāng)開關(guān)撥到位置“2”時(shí)，電容器開始（選填“充電”或“放電”），隨著兩極板上電荷量逐漸減小，電路中電流逐漸減小直至減小到零?！緦?shí)驗(yàn)步驟】（2）根據(jù)圖甲所示電路，請(qǐng)?jiān)趫D乙中用筆畫線代替導(dǎo)線，完成實(shí)物電路的連接。（3）撥動(dòng)開關(guān)使電源給電容器充電，一段時(shí)間后，撥動(dòng)開關(guān)到另一位置，使電容器放電，每隔5秒讀一次微安表的示數(shù)。記錄好實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，關(guān)閉電源?！緮?shù)據(jù)處理】（4）在充電過程中充電電流I隨時(shí)間t變化的圖像可能正確的是。（5）電容器放電過程中記錄的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表中所示。時(shí)間t/s0510152025303540455055電流i/μA5003922702091581017549302393請(qǐng)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在圖丙中作出電流i隨時(shí)間t變化的圖像。聽課記錄1.觀察電容器充電現(xiàn)象（1）按照“觀察電容器充電的電路圖”（如圖所示）連接好電路（2）閉合開關(guān)，給電容器充電。（3）根據(jù)傳感器傳遞給電子計(jì)算機(jī)的電流信息，通過計(jì)算機(jī)中的軟件將傳感器收集的信息擬合成I-t圖像，仔細(xì)觀察I-t圖像，可以分析出電容器充電時(shí)電流隨時(shí)間變化的規(guī)律（如圖所示）。2.觀察電容器放電現(xiàn)象（1）按照“觀察電容器放電的電路圖”（如圖所示）連接好電路。（2）先將開關(guān)S扳向1，給電容器充電完畢后，將開關(guān)扳向2，電容器將通過電阻R放電。（3）根據(jù)傳感器傳遞給電子計(jì)算機(jī)的電流信息，通過計(jì)算機(jī)中的軟件將傳感器收集的信息擬合成I-t圖像，仔細(xì)觀察I-t圖像，可以分析出電容器放電時(shí)電流隨時(shí)間變化的規(guī)律（如圖所示）。3.數(shù)據(jù)處理若實(shí)驗(yàn)電路中直流電源電壓為8V。（1）在圖中畫出一個(gè)如圖所示豎立的狹長(zhǎng)矩形（Δt很?。拿娣e的物理意義表示在Δt時(shí)間內(nèi)通過電流傳感器的電荷量。整個(gè)圖像與橫軸所圍的面積的物理意義是整個(gè)充電或放電時(shí)間內(nèi)通過電流傳感器的電荷量，也等于充滿電后或放電開始時(shí)電容器極板上的電荷量。（2）估算電容器充電或放電過程中電荷量的方法是：先算出一個(gè)小方格代表的電荷量，然后數(shù)出整個(gè)圖像與橫軸所圍的面積中的方格數(shù)（大于半個(gè)的按一個(gè)方格計(jì)算，小于半個(gè)的舍棄）。電容器充電或放電過程中電荷量為一個(gè)小方格代表的電荷量乘以方格數(shù)。（3）電容器兩極板之間的電壓等于電源電動(dòng)勢(shì)，由電容器定義式C＝QU估算出電容器的電容C4.注意事項(xiàng)（1）要選擇大容量的電容器。（2）實(shí)驗(yàn)要在干燥的環(huán)境中進(jìn)行。5.誤差分析本實(shí)驗(yàn)中的誤差來源主要取決于電流傳感器的靈敏度與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)收集處理軟件的準(zhǔn)確性。（2023·新課標(biāo)卷22題）在“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)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(cè)電池的電壓。檢測(cè)時(shí)，紅表筆應(yīng)該與電池的（選填“正極”或“負(fù)極”）接觸。（2）某同學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)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(shí)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(hào)）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(shí)間的變化情況。兩次得到的電流I隨時(shí)間t變化如圖（b）中曲線所示，其中實(shí)線是電阻箱阻值為（選填“R1”或“R2”）時(shí)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（選填“電壓”或“電荷量”）?！镜淅浚?023·山東高考14題）電容儲(chǔ)能已經(jīng)在電動(dòng)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(jì)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：電容器C（額定電壓10V，電容標(biāo)識(shí)不清）；電源E（電動(dòng)勢(shì)12V，內(nèi)阻不計(jì)）；電阻箱R1（阻值0～99999.9Ω）；滑動(dòng)變阻器R2（最大阻值20Ω，額定電流2A）；電壓表V（量程15V，內(nèi)阻很大）；發(fā)光二極管D1、D2，開關(guān)S1、S2，電流傳感器，計(jì)算機(jī)，導(dǎo)線若干?；卮鹨韵聠栴}：（1）按照?qǐng)D甲連接電路，閉合開關(guān)S1，若要升高電容器充電電壓，滑動(dòng)變阻器滑片應(yīng)向端滑動(dòng)（選填“a”或“b”）。（2）調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片位置，電壓表表盤如圖乙所示，示數(shù)為V（保留1位小數(shù)）。（3）繼續(xù)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片位置，電壓表示數(shù)為8.0V時(shí)，開關(guān)S2擲向1，得到電容器充電過程的I-t圖像，如圖丙所示。借鑒“用油膜法估測(cè)油酸分子的大小”實(shí)驗(yàn)中估算油膜面積的方法，根據(jù)圖像可估算出充電結(jié)束后，電容器存儲(chǔ)的電荷量為C（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）。（4）本電路中所使用電容器的電容約為F（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）。（5）電容器充電后，將開關(guān)S2擲向2，發(fā)光二極管（選填“D1”或“D2”）閃光。

三步穩(wěn)解題（1）分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄坎煌妷合码娙萜鞯某洹⒎烹娺^程。（2）確定實(shí)驗(yàn)原理：通過滑動(dòng)變阻器分壓式接法對(duì)用電器供電，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片位置，電容器可獲得不同電壓。（3）制定數(shù)據(jù)處理方案：借鑒“用油膜法估測(cè)油酸分子的大小”實(shí)驗(yàn)中估算油膜面積的方法，根據(jù)I-t圖像估算出電容器存儲(chǔ)的電荷量。聽課記錄電流傳感器可以在電腦端記錄電流隨時(shí)間變化的圖像。探究實(shí)驗(yàn)小組設(shè)計(jì)了如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)電路，來探究電容器在不同電路中的充放電現(xiàn)象。（1）第一次探究中先將開關(guān)接1，待電路穩(wěn)定后再接2。探究電容器充電及通過電阻放電的電流規(guī)律。①已知電流從右向左流過電流傳感器時(shí)，電流為正，則與本次實(shí)驗(yàn)相符的I-t圖像是（填正確答案標(biāo)號(hào)）。②從I-t圖像的面積可以計(jì)算得出電容器電荷量的大小。關(guān)于本次實(shí)驗(yàn)探究，下列判斷正確的是（填正確答案標(biāo)號(hào)）。A.若只增大電阻箱R的阻值，電容器放電的時(shí)間將變短B.若只增大電阻箱R的阻值，I-t圖像的面積將增大C.在誤差允許的范圍內(nèi)，放電和充電圖像的面積應(yīng)大致相等（2）第二次探究中，該同學(xué)先將開關(guān)接1給電容器充電，待電路穩(wěn)定后再接3，探究LC振蕩電路的電流變化規(guī)律。①探究實(shí)驗(yàn)小組得到了振蕩電路電流波形圖像，選取了開關(guān)接3之后的LC振蕩電流的部分圖像，如圖乙所示，根據(jù)圖像中記錄的坐標(biāo)信息可知，振蕩電路的周期T＝s（結(jié)果