2024屆高考物理復習講義：實驗十 觀察電容器的充、放電現象

實驗十觀察電容器的充、放電現象

夯實必備知識

實驗原理實驗操作注意事項

2rqe

~~EIII|c

耳，充

圖甲電容器充電1.電流表要選用小量程

-------SLx/放1.連電路，按原理圖連接的靈敏電流表。

產C器材。2.要選擇大容量的電容

2.單刀雙擲開關S接1,器。

R/放觀察充電現象。3.實驗要在干燥的環(huán)境

圖乙電容器放電3.單刀雙擲開關S接2,中進行。

電容器與電源相連，形成充觀察放電現象。4.在做放電實驗時，在

電電流，隨著極板電荷量的增4.關閉電源，整理器材電路中串聯一個電阻，

力口，充電電流減小。避免燒壞電流表

電容器的正、負電荷中和，形

成放電電流，隨著極板電荷量

的減少，放電電流減小

1.觀察電流表示數變化，總結電容器充、放電電流的變化規(guī)律。

2.可將電流表換成電流傳感器，由計算機繪制充、放電的i-f圖像，由

圖像計算充、放電過程通過電流傳感器的電荷量。

數據方法：先算出一個小方格代表的電荷量，然后數出整個圖像與橫軸所圍

處理的面積中的方珞數（大于半個的按一個方格計算，小于半個的舍棄）。電容

器充電或放電這程中電荷量為一個小方格代表的電荷量乘以方格數。

3.電容器兩極板之間的電壓等于電源電動勢，由電容的定義式C=￡估算

出電容器的電容C。

研透￡邢日前I

考點電容器充、放電過程的分析

例1（2023?北京市海淀區(qū)高三期末）某同學用電流傳感器和電壓傳感器研究電容

器的放電情況，按如圖1連接電路，實驗時，先將開關S與1端相連，待電路穩(wěn)

定后，將開關擲向2端，傳感器將信息傳入計算機，屏幕上可以顯示出電流、電

壓隨時間變化的圖線、“一/圖線。

（1）由圖1可知，傳感器2應為傳感器（選填“電流”或“電壓”）。

（2）計算機屏幕上顯示的i-t圖線可能為下圖中的u-t圖線可能為下圖

中的

(3)結合屏幕顯示的i-r圖線、〃一，圖線信息，可以估算出

A.電容器的電容

B.電容器儲存的電荷量

答案(1)電壓(2)BD(3)AB

解析(1)傳感器2與電阻A并聯，應為電壓傳感器。

⑵隨著電容器放電，電容器電荷量減小，由0=號，可知電容器兩端電壓減小,

電阻A保持不變，電流傳感器、電壓傳感器示數均減小，故，一，圖像選B,〃一/

圖像選D。

(3)根據i—f圖像的面積可以估算出電荷量，根據電容定義式。=號，可以估算出

電容，故選A、Bo

例2(2023?北京市東城區(qū)高三模擬)電流傳感器可以像電流表一樣測量電流，能顯

示出電流隨時間變化的/一，圖像。照圖2甲連接電路，先使開關S與1端相連,

電源向電容器充電，這個過程可在較短時間內完成。然后把開關S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/一f圖像如圖乙所示。

⑴在圖乙中畫一個豎立的狹長矩形(在圖乙的最左邊)，它的面積的物理意義是

(填寫面積所代表物理量的名稱)

(2)根據I-t圖像估算電容器在全部放電過程中移放的電荷量約為C(結

果保留1位有效數字)。

(3)若對應開關S與1端相連的充電過程，電荷量隨時間變化的q-t圖像的示意

圖是怎樣的？請在圖內中定性畫出。

()

（4）實驗中，為使能觀察到的放電過程持續(xù)更長的時間，電阻R應選擇盡量大一

些，因為釋放的電荷量是一定的，電流越小，放電過程持續(xù)時間越長。

（5）放電過程中電流的變化率為

A/^neSv

△「Az-

放電過程中，隨著電容器極板上電荷量的減少，電壓減小，電場對自由電荷的靜

電力減小，因此電流的變化率越來越小。

例3（2022?北京市房山區(qū)高三模擬）電容器是一種重要的電學元件，在電工、電子

技術中應用廣泛。使用圖3甲所示電路觀察電容器的充、放電過程。電路中的電

流傳感器與計算機相連，可以顯示電路中電流隨時間的變化。圖甲中直流電源電

動勢E=8V,實驗前日容器不帶電。先使S與“1”端相連給電容器充電，充電結

束后，使S與“2”端相連，直至放電完畢。計算機記錄的電流隨時間變化的i—/

曲線如圖乙所示。

電

流

計算機傳

感

器

乙

圖3

⑴乙圖陰影為i-t圖像與對應時間軸所圍成的面積，表示的物理意義是

___________________________________________（填寫所代表物理量的名稱）。

（2）乙圖中陰影部分的面積S_______S2（選填“或“=”）。

(3)計算機測得5i=l203mA-s,則該電容器的電容為F(保留2位有效數

字)。

(4)由甲、乙兩圖可判斷阻值Q&(選填或“=”)。

答案(1)電荷量⑵=(3)0.15(4)<

解析(1)根據q=〃可知圖像與對應時間軸所圍成的面積表示的物理意義是

電荷量。

(2)8表示電容器充電后所帶電荷量，S2表示電容器放電的電荷量，所以S=S2。

(3)該電容器的電容為C=￡=9().15F。

(4)由題圖乙可知電容器充電瞬間電流比電容器放電瞬間電流大，且電容器充電

瞬間電源電壓和放電瞬間電容器兩端電壓相等，則有所以凡<&。

“1十”0A2-TA0

一寓，素養(yǎng)能力|

1.在如圖1所示實驗中，關于平行板電容器的充、放電，下列說法正確的是()

------------1

S-°---------

2

圖1

A.開關接1時，平行板電容器充電,且上極板帶上電

B.開關接1時，平行板電容器充電,且上極板帶負電

C.開關接2時,平行板電容器充電，且上極板帶正電

D.開關接2時,平行板電容器充電，且上極板帶負電

答案A

解析開關接1時，平行板電容器充電，上極板與電源正極相連而帶正電，A正

確，B錯誤；開關接2時，平行板電容器放電，放電結束后上、下極板均不帶電,

C、D錯誤。

2.某實驗小組做“觀察電容器的充、放電現象”的實驗。

(1)同學甲用如圖2所示的電路做實驗。實驗器材有電源、電阻、電容器、電流

表、電壓表以及單刀雙擲開關。關于電源和電流表的選取，下列說法正確的是

1

圖2

A.交流電源，零刻度線在左側的電流表

B.交流電源，零刻度線在中間的電流表

C直流電源，零刻度線在左側的電流表

D.直流電源，零刻度線在中間的電流表

(2)同學乙將同學甲電路中的電流表和電壓表換成電流傳感器和電壓傳感器。同

學乙先使開關S與1端相連，穩(wěn)定后得到如圖(a)和圖(b)所示的圖像，然后把開

關S擲向2端，穩(wěn)定后得到如圖(c)和圖(d)所示的圖像。根據圖像，在表格內各

空格處埴上合理的答案。

電容器是在充電流傳感器中的電流正電容器兩端的電壓

開關位置

電還是在放電在增大還是減小正在增大還是減小

S與1端相連———

S與2端相連———

(3)同學丙多次測量，獲取某電容器實驗數據，繪制出如圖所示的圖像，其中正

確的是

解析(1)因為要觀察可容器的充、放電現象，所以只能選擇直流電源，若選擇

交流電源，電流表將一直有示數。電流表要往左右兩個方向偏，所以要選零刻度

線在中間的電流表，故A、B、C錯誤，D正確。

(2)開關S與1端相連后，是電容器充電過程，此時由題圖可知電流傳感器中的

電流正在減小，電容器兩端的電壓正在增大。開關S擲向2端后，是放電過程,

此時由題圖可知電流傳感器中的電流正在減小，電容器兩端的電壓正在減小。

⑶由。=品知，。是定值，與。、u無關，由電容定義式c=§可知，。和u

成正比，故A錯誤，B、C、D正確。

3.（2023?河北省級高三聯測）某小組同學用如圖3甲所示的電路，利用電流傳感器

（按計算機采集器）、電阻箱和電容器測量電源電動勢和內阻，已知電容器的電容

為C。

先按圖甲所示電路連接好實驗電路，然后進行如下操作：①接通開關S,調節(jié)電

阻箱H的阻值，電路穩(wěn)定時，記下電流傳感器示數/；②斷開開關S,同時開始

計時，采集器每隔2采集一次電流/的值，將采集的數據填入預先設計的表格

中；③根據表格中的數據繪制以時間，為橫坐標、電流/為縱坐標的圖像；

④根據I-t圖像估算出該電容器初始時所帶的電荷量Q。

圖3

（1）圖乙為某次實驗得到的I-t圖像。試估算出該電容器初始放電時所帶的電荷

量Q約為C（保留3位有效數字）。

（2）斷開開關后若增大電阻箱的接入值，I-t圖像應該是選項（實線表示

增大R前的圖像，虛線代表增大R后的圖像）。

OtOIOto

ABCD

答案（1）8.00X10-3（2）A

解析（1）由AQ=/?加知所求電荷量為曲線與坐標軸所圍的圖形的面積，則利用

數格子方法估算出電容器初始放電時的電荷量為

2=32X0.5X0.5X10-3c=8.00X10-3C?

(2)如果只增大電阻R,則電容器放電的最大電流會減小，由于放電電荷量不變，

即/一/圖像的“面積”不變，故選A。

4.某課外興趣小組設計了一個測定電容器電容的實驗方案，其實驗原理如圖4甲

所示，E為電池組，C為待測電容器，G為檢流計(可測微弱電流)，R為滑動變

阻器，R是定值電阻，V是電壓表，S\S為開關。實驗步驟如下：

圖4

A.按圖甲連接電路，閉合掌，調節(jié)滑動變阻器，使電壓表示數為某確定值；

B.閉合S,給電容器充電，當電容器兩端電壓穩(wěn)定時，記下此時的電壓表讀數

Uc及檢流計示數匕

C.斷開S和Sq同時開始計時，每隔5s讀取并記錄一次電流值，直到電流為零;

D.以放電電流為縱坐標、放電時間為橫坐標，作出小一，圖像；

E.改變Uc的值，重復上述步驟；

F.整理器材。

(1)S\S閉合前滑動變阻器滑片應調到(選填％"或?'')端。

(2)閉合S后電壓表示數變化應該是_