2024屆高考物理復(fù)習(xí)講義：實(shí)驗(yàn)十 觀察電容器的充、放電現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)十觀察電容器的充、放電現(xiàn)象

夯實(shí)必備知識

實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)操作注意事項(xiàng)

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(chǎn)C器材。2.要選擇大容量的電容

2.單刀雙擲開關(guān)S接1,器。

R/放觀察充電現(xiàn)象。3.實(shí)驗(yàn)要在干燥的環(huán)境

圖乙電容器放電3.單刀雙擲開關(guān)S接2,中進(jìn)行。

電容器與電源相連，形成充觀察放電現(xiàn)象。4.在做放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，在

電電流，隨著極板電荷量的增4.關(guān)閉電源，整理器材電路中串聯(lián)一個(gè)電阻，

力口，充電電流減小。避免燒壞電流表

電容器的正、負(fù)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(shù)變化，總結(jié)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(jì)算機(jī)繪制充、放電的i-f圖像，由

圖像計(jì)算充、放電過程通過電流傳感器的電荷量。

數(shù)據(jù)方法：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

處理的面積中的方珞數(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

器充電或放電這程中電荷量為一個(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，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(diǎn)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(xué)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(shí)驗(yàn)時(shí)，先將開關(guān)S與1端相連，待電路穩(wěn)

定后，將開關(guān)擲向2端，傳感器將信息傳入計(jì)算機(jī)，屏幕上可以顯示出電流、電

壓隨時(shí)間變化的圖線、“一/圖線。

（1）由圖1可知，傳感器2應(yīng)為傳感器（選填“電流”或“電壓”）。

（2）計(jì)算機(jī)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(jié)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(lián)，應(yīng)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(shù)均減小，故，一，圖像選B,〃一/

圖像選D。

(3)根據(jù)i—f圖像的面積可以估算出電荷量，根據(jù)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(shí)間變化的/一，圖像。照圖2甲連接電路，先使開關(guān)S與1端相連,

電源向電容器充電，這個(gè)過程可在較短時(shí)間內(nèi)完成。然后把開關(guān)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(jì)算機(jī)，屏幕上顯示出電流隨時(shí)

間變化的/一f圖像如圖乙所示。

⑴在圖乙中畫一個(gè)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(jù)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(jié)

果保留1位有效數(shù)字)。

(3)若對應(yīng)開關(guān)S與1端相連的充電過程，電荷量隨時(shí)間變化的q-t圖像的示意

圖是怎樣的？請?jiān)趫D內(nèi)中定性畫出。

()

（4）實(shí)驗(yàn)中，為使能觀察到的放電過程持續(xù)更長的時(shí)間，電阻R應(yīng)選擇盡量大一

些，因?yàn)獒尫诺碾姾闪渴且欢ǖ?，電流越小，放電過程持續(xù)時(shí)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(xué)元件，在電工、電子

技術(shù)中應(yīng)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(jì)算機(jī)相連，可以顯示電路中電流隨時(shí)間的變化。圖甲中直流電源電

動(dòng)勢E=8V,實(shí)驗(yàn)前日容器不帶電。先使S與“1”端相連給電容器充電，充電結(jié)

束后，使S與“2”端相連，直至放電完畢。計(jì)算機(jī)記錄的電流隨時(shí)間變化的i—/

曲線如圖乙所示。

電

流

計(jì)算機(jī)傳

感

器

乙

圖3

⑴乙圖陰影為i-t圖像與對應(yīng)時(shí)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(jì)算機(jī)測得5i=l203mA-s,則該電容器的電容為F(保留2位有效數(shù)

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(jù)q=〃可知圖像與對應(yīng)時(shí)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(shí)驗(yàn)中，關(guān)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(guān)接1時(shí)，平行板電容器充電,且上極板帶上電

B.開關(guān)接1時(shí)，平行板電容器充電,且上極板帶負(fù)電

C.開關(guān)接2時(shí),平行板電容器充電，且上極板帶正電

D.開關(guān)接2時(shí),平行板電容器充電，且上極板帶負(fù)電

答案A

解析開關(guān)接1時(shí)，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(cuò)誤；開關(guān)接2時(shí)，平行板電容器放電，放電結(jié)束后上、下極板均不帶電,

C、D錯(cuò)誤。

2.某實(shí)驗(yàn)小組做“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”的實(shí)驗(yàn)。

(1)同學(xué)甲用如圖2所示的電路做實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)器材有電源、電阻、電容器、電流

表、電壓表以及單刀雙擲開關(guān)。關(guān)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(cè)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(cè)的電流表

D.直流電源，零刻度線在中間的電流表

(2)同學(xué)乙將同學(xué)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(xué)乙先使開關(guān)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(guān)S擲向2端，穩(wěn)定后得到如圖(c)和圖(d)所示的圖像。根據(jù)圖像，在表格內(nèi)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(guān)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(xué)丙多次測量，獲取某電容器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出如圖所示的圖像，其中正

確的是

解析(1)因?yàn)橐^察可容器的充、放電現(xiàn)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(shù)。電流表要往左右兩個(gè)方向偏，所以要選零刻度

線在中間的電流表，故A、B、C錯(cuò)誤，D正確。

(2)開關(guān)S與1端相連后，是電容器充電過程，此時(shí)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(guān)S擲向2端后，是放電過程,

此時(shí)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(guān)，由電容定義式c=§可知，。和u

成正比，故A錯(cuò)誤，B、C、D正確。

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

（按計(jì)算機(jī)采集器）、電阻箱和電容器測量電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻，已知電容器的電容

為C。

先按圖甲所示電路連接好實(shí)驗(yàn)電路，然后進(jìn)行如下操作：①接通開關(guān)S,調(diào)節(jié)電

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

計(jì)時(shí)，采集器每隔2采集一次電流/的值，將采集的數(shù)據(jù)填入預(yù)先設(shè)計(jì)的表格

中；③根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)繪制以時(shí)間，為橫坐標(biāo)、電流/為縱坐標(biāo)的圖像；

④根據(jù)I-t圖像估算出該電容器初始時(shí)所帶的電荷量Q。

圖3

（1）圖乙為某次實(shí)驗(yàn)得到的I-t圖像。試估算出該電容器初始放電時(shí)所帶的電荷

量Q約為C（保留3位有效數(shù)字）。

（2）斷開開關(guān)后若增大電阻箱的接入值，I-t圖像應(yīng)該是選項(xiàng)（實(shí)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(biāo)軸所圍的圖形的面積，則利用

數(shù)格子方法估算出電容器初始放電時(shí)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(shè)計(jì)了一個(gè)測定電容器電容的實(shí)驗(yàn)方案，其實(shí)驗(yàn)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(jì)(可測微弱電流)，R為滑動(dòng)變

阻器，R是定值電阻，V是電壓表，S\S為開關(guān)。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

圖4

A.按圖甲連接電路，閉合掌，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使電壓表示數(shù)為某確定值；

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

Uc及檢流計(jì)示數(shù)匕

C.斷開S和Sq同時(shí)開始計(jì)時(shí)，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(biāo)、放電時(shí)間為橫坐標(biāo)，作出小一，圖像；

E.改變Uc的值，重復(fù)上述步驟；

F.整理器材。

(1)S\S閉合前滑動(dòng)變阻器滑片應(yīng)調(diào)到(選填％"或?'')端。

(2)閉合S后電壓表示數(shù)變化應(yīng)該是_