10.7 實驗：觀察電容器的充放電現(xiàn)象 【幫課堂】2024-2025學(xué)年高一物理 同步學(xué)與練（ 人教版2019必修第一冊）（原卷版）

10.7實驗：觀察電容器的充、放電現(xiàn)象學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)課程標(biāo)準(zhǔn)物理素養(yǎng)3.1.6觀察電容器的充、放電現(xiàn)象。物理觀念：了解電容器的類型、特性及作用。了解影響平行板電容器電容大小的因素?？茖W(xué)思維：分析電容器在充、放電過程中電流與電壓的變化、電荷量的變化及能量轉(zhuǎn)化情況。科學(xué)探究：通過實驗，觀察電容器在充、放電過程中電流與電壓的變化，分析電荷量變化及能量轉(zhuǎn)化情況?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任：培養(yǎng)學(xué)生的實驗觀察能力和科學(xué)探究能力。002思維導(dǎo)圖電容器充、放電現(xiàn)象中的三點注意(1)電容器充電時電流流向正極板，電容器放電時電流從正極板流出，且充放電電流均逐漸減小至零。(2)電容器充、放電過程，電容器的電容不變，極板上所帶電荷量和電壓按正比關(guān)系變化。(3)電容器充、放電過程，I－t圖中曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積表示電容器儲存的電荷量。003知識梳理課前研讀課本，梳理基礎(chǔ)知識：一、實驗原理1．電容器充電：電源使電容器的兩極板帶上異種電荷的過程，如圖甲。2．電容器放電：用導(dǎo)線將充好電的電容器的兩極板相連，使兩極板的異種電荷的過程，如圖乙。3．電容器充放電時的能量轉(zhuǎn)化：充電后，電容器儲存了。放電時，儲存的電能釋放出來，轉(zhuǎn)化為其他形式的能。二、實驗操作1．按圖連接好電路。2．把單刀雙擲開關(guān)S接1，觀察電容器的充電現(xiàn)象，并將結(jié)果記錄在表格中。3．將單刀雙擲開關(guān)S接2，觀察電容器的放電現(xiàn)象，并將結(jié)果記錄在表格中。4．記錄好實驗結(jié)果，關(guān)閉電源。三、分析與論證當(dāng)電容器極板上所儲存的電荷量發(fā)生變化時，電路中就有電流流過；若電容器極板上所儲存的電荷量恒定不變時，則電路中就沒有電流流過。電路中的平均電流為I＝eq\f(Δq,Δt)。四、注意事項1．電流表要選用量程的靈敏電流計．2．要選擇容量的電容器．3．實驗要在的環(huán)境中進行．004題型精講【題型一】電流方向的判斷【典型例題1】（多選）如圖所示，電源電動勢E=1.5V，內(nèi)電阻r=0.5Ω，滑動變阻器R1的最大電阻，定值電阻，C為平行板電容器，其電容為3μF。將開關(guān)S與a接觸，則（）A.當(dāng)R1的阻值增大時，R2兩端的電壓增大B.穩(wěn)定時R1消耗的最大功率為0.225WC.將開關(guān)從a接向b，流過R3的電流流向為c→dD.將滑動變阻器R1的接入最大電阻，則開關(guān)從a接向b，待電路穩(wěn)定，流過R3的電荷量為【典型例題2】如圖所示是電容式話筒示意圖，振動膜片涂有薄薄的金屬層，膜后幾十微米處是固定的金屬片，兩者構(gòu)成了電容器的兩極。當(dāng)聲音傳至振動膜片時，帶動膜片振動，引起兩極板間距變化。則（）A.膜片振動過程中電容器兩極間電壓恒定B.膜片向右振動時通過電阻R的電流向左C.聲音頻率越高時話筒的輸出信號越強D.膜片振動頻率與聲音頻率無關(guān)【對點訓(xùn)練1】如圖所示，C1、C2是完全相同的兩個電容器，P是電容器C1兩極板間的一點，在電容器C2兩極板間插入一塊云母板。閉合開關(guān)，電路穩(wěn)定后斷開開關(guān)。將云母板從C2極板間抽出的過程，下列說法正確的是()A．P點電勢升高B．電容器C2的電容增大C．靈敏電流計中有向右的電流D．電容器C1兩極板間的電場強度變小【對點訓(xùn)練2】微信運動步數(shù)的測量是通過手機內(nèi)電容式加速度傳感器實現(xiàn)的。其工作原理可簡化為如圖所示，M極板固定，當(dāng)手機的加速度變化時，N極板能上下左右運動，進而改變電容器的電容。將運動信號轉(zhuǎn)化為電信號，圖中R為定值電阻。下列說法正確的是（）A.手機靜止時，電流表示數(shù)為零、電容器兩極板不帶電B.N極板向上運動時，兩極板間的電場強度不發(fā)生變化C.N極板向上運動時，電容器的電容減小D.N極板向下運動時，電流由b向a流過電流表【題型二】i-t圖像面積的應(yīng)用【典型例題3】如圖甲所示是一種觀察電容器充、放電的實驗電路圖。某同學(xué)在一次實驗時的情況如下：接通開關(guān)S，調(diào)節(jié)電阻箱R的阻值，使小量程電流表的指針偏轉(zhuǎn)接近滿刻度，記下此時電流表的示數(shù)是I0＝490μA，電壓表的示數(shù)U0＝6.0V，I0、U0分別是電容器放電時的初始電壓和電流。斷開開關(guān)S，同時開始計時，每隔5s測一次電流I的值，將測得數(shù)據(jù)填入表格，并標(biāo)在圖乙坐標(biāo)紙上(時間t為橫坐標(biāo)、電流i為縱坐標(biāo))，結(jié)果如圖中小黑點“·”所示。(1)在圖乙中畫出i－t圖線，圖線與坐標(biāo)軸所圍成面積的物理意義是________________________________。(2)該電容器電容為________F(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)。(3)若某同學(xué)實驗時把電壓表接在F、D兩端，則電容的測量值比它的真實值________(填“大”“小”或“相等”)。【典型例題4】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與計算機相連，可以顯示電路中電流隨時間的變化關(guān)系．圖甲中直流電源電動勢E＝8V，實驗前電容器不帶電．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．計算機記錄的電流隨時間變化的i－t曲線如圖乙所示．(1)乙圖中陰影部分的面積S1________S2；(選填“>”“<”或“＝”)(2)計算機測得S1＝1203mA·s，則該電容器的電容為________F；(保留兩位有效數(shù)字)(3)由甲、乙兩圖可判斷阻值R1________R2.(選填“>”“<”或“＝”)【對點訓(xùn)練3】電荷的定向移動形成電流，電流表示單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量，即。圖甲是研究電容器充、放電過程中電壓和電流隨時間變化規(guī)律的實驗電路圖，按圖甲連接好實驗器材，根據(jù)實驗步驟，回答下列問題：（1）先接通開關(guān)K1，給電容器充電，然后斷開開關(guān)K1，再閉合開關(guān)K2，電容器放電，電阻R中電流的方向為___________（選填“a到b”或“b到a”）；（2）閉合開關(guān)K2的同時開始計時，通過計算機在同一坐標(biāo)系中描繪出電壓U和電流I隨放電時間t的變化圖線，如圖乙所示。圖中電流I隨時間t的變化圖線與坐標(biāo)軸圍成的陰影面積的物理意義是___________，圖中陰影面積S1與陰影面積S2的比值是___________；（3）若用計算機測得圖中陰影面積S1=916.13mA?s，則該電容器的電容為___________F。（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）【對點訓(xùn)練4】在“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實驗中，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“負極”）接觸。（2）某同學(xué)設(shè)計的實驗電路如圖（a）所示。先將電阻箱的阻值調(diào)為，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，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”）?！绢}型三】其它圖像問題 【典型例題5】電容器作為儲能器件，在生產(chǎn)生活中有廣泛的應(yīng)用。對給定電容值為C的電容器充電，無論采用何種充電方式，其兩極間的電勢差u隨電荷量q的變化圖像都相同。(1)請在圖1中畫出上述u-q圖像。類比直線運動中由v-t圖像求位移的方法，求兩極間電壓為U時電容器所儲存的電能Ep。(2)在如圖2所示的充電電路中，R表示電阻，E表示電源(忽略內(nèi)阻)。通過改變電路中元件的參數(shù)對同一電容器進行兩次充電，對應(yīng)的q-t曲線如圖3中①②所示。a．①②兩條曲線不同是________(選填“E”或“R”)的改變造成的；b．電容器有時需要快速充電，有時需要均勻充電。依據(jù)a中的結(jié)論，說明實現(xiàn)這兩種充電方式的途徑。(3)設(shè)想使用理想的“恒流源”替換(2)中電源對電容器充電，可實現(xiàn)電容器電荷量隨時間均勻增加。請思考使用“恒流源”和(2)中電源對電容器的充電過程，填寫下表(選填“增大”“減小”或“不變”)?！昂懔髟础?2)中電源電源兩端電壓通過電源的電流【典型例題6】在測定電容器電容的實驗中，將電容器、電壓傳感器、阻值為3kΩ的電阻R、電源、單刀雙擲開關(guān)按圖甲所示電路圖進行連接。先使開關(guān)S與1端相連，電源向電容器充電，充電完畢后把開關(guān)S擲向2端，電容器放電，直至放電完畢。實驗得到的與電壓傳感器相連接的計算機所記錄的電壓隨時間變化的u-t曲線，如圖乙所示，圖丙為由計算機對圖乙進行數(shù)據(jù)處理后記錄的“峰值”及曲線與時間軸所圍“面積”。(1)根據(jù)圖甲所示的電路，觀察圖乙可知：充電電流與放電電流方向________(選填“相同”或“相反”)，大小都隨時間________(選填“增大”或“減小”)。(2)該電容器的電容值為________F。(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)(3)某同學(xué)認為：仍利用上述裝置，將電壓傳感器從電阻兩端改接在電容器的兩端，也可以測出電容器的電容值。請你分析并說明該同學(xué)的說法是否正確?！緦c訓(xùn)練5】電容器儲能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動汽車，風(fēng)光發(fā)電儲能，電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量調(diào)節(jié)。電容器儲能的原理是，當(dāng)電容器充電后，所帶電荷量為Q，兩極板間的電勢差為U，則板間儲存了電能。如圖是電容為C的電容器兩極板間電勢差u和所帶電荷量q的圖像，則（）A.該電容器的電容C隨電荷量q增大而增大B.圖像中直線的斜率等于該電容器電容CC.電源對該電容器充電為Q時，電源對該電容器做的功為QUD.電源對該電容器充電為Q時，該電容器儲存的電能為【對點訓(xùn)練6】某同學(xué)利用圖(a)所示電路測量電容器充電時兩極板間的電壓隨時間的變化。實驗中使用的器材為：電池E(內(nèi)阻很小)、開關(guān)S1和S2、電容器C(約100μF)、電阻R1(約200kΩ)、電阻R2(1kΩ)、電壓表V(量程6V)、停表、導(dǎo)線若干。(1)按圖(a)所示的電路原理圖將圖(b)中實物圖連接起來。(2)先閉合開關(guān)S2，再斷開開關(guān)S2；閉合開關(guān)S1，同時按下停表開始計時。若某時刻電壓表的示數(shù)如圖(c)所示，電壓表的讀數(shù)為______V(保留2位小數(shù))。(3)該同學(xué)每隔10s記錄一次電壓表的讀數(shù)U，記錄的數(shù)據(jù)如下表所示。在給出的坐標(biāo)紙上繪出U-t圖線。已知只有一個數(shù)據(jù)點誤差較大，該數(shù)據(jù)點對應(yīng)的時間是________s。時間t/s10.020.030.040.050.060.0電壓U/V2.143.454.234.515.005.18(4)電路中C、R2和S2構(gòu)成的回路的作用是____________________________________________________________________________________________________________。00501強化訓(xùn)練【基礎(chǔ)強化】1．在“用傳感器觀察電容器的充放電過程”實驗中，按圖甲所示連接電路。電源電動勢為8.0V，內(nèi)阻可以忽略。單刀雙擲開關(guān)S先跟2相接，某時刻開關(guān)改接1，一段時間后，把開關(guān)再改接2，實驗中使用了電流傳感器來采集電流隨時間的變化情況。甲乙(1)開關(guān)S改接2后，電容器進行的是______(選填“充電”或“放電”)過程。此過程得到的I－t圖像如圖乙所示，圖中用陰影標(biāo)記的狹長矩形的面積的物理意義是____________________。如果不改變電路其他參數(shù)，只減小電阻R的阻值，則此過程的I－t曲線與坐標(biāo)軸所圍成的面積將________(選填“減小”“不變”或“增大”)。(2)若實驗中測得該電容器在整個放電過程中釋放的電荷量Q＝3.44×10－3C，則該電容器的電容為________μF。(3)關(guān)于電容器在整個充、放電過程中的q－t圖像和UAB－t圖像的大致形狀，可能正確的有________(q為電容器極板所帶的電荷量，UAB為A、B兩板的電勢差)。2.（多選）如圖所示，電源E對電容器C充電，當(dāng)C兩端電壓達到80V時，閃光燈瞬間導(dǎo)通并發(fā)光，C放電．放電后，閃光燈斷開并熄滅，電源再次對C充電．這樣不斷地充電和放電，閃光燈就周期性地發(fā)光．該電路（

）A．充電時，通過R的電流不變B．若R增大，則充電時間變長C．若C增大，則閃光燈閃光一次通過的電荷量增大D．若E減小為85V，閃光燈閃光一次通過的電荷量不變3.利用如圖所示電路觀察電容器的充、放電現(xiàn)象，其中E為電源，R為定值電阻，C為電容器，A為電流表，V為電壓表．下列說法正確的是()A．充電過程中，電流表的示數(shù)逐漸增大后趨于穩(wěn)定B．充電過程中，電壓表的示數(shù)迅速增大后趨于穩(wěn)定C．放電過程中，電流表的示數(shù)均勻減小至零D．放電過程中，電壓表的示數(shù)均勻減小至零4.如圖為研究電容器充、放電現(xiàn)象的實驗電路圖，開始電容器不帶電。實驗開始時，首先將開關(guān)S合向1，這時觀察到靈敏電流計G有短暫的示數(shù)，這說明電路中有電流流過，這個過程叫作________，經(jīng)過這一過程，電容器的兩極板就會帶上等量的異號電荷，其上極板帶________電荷(選填“正”或“負”)，電路穩(wěn)定后靈敏電流計G的示數(shù)為零。當(dāng)把開關(guān)S由1合向2時，有________(選填“自左向右”或“自右向左”)流過靈敏電流計G的短暫電流，這個過程叫________________________________________________________________________。5.如圖甲所示，實驗器材主要有電源、理想電壓表V、兩個理想電流表A1和A2、被測電解電容器C、滑動變阻器R、兩個開關(guān)S1和S2以及導(dǎo)線若干．實驗主要步驟如下：①按圖甲連接好電路．②斷開開關(guān)S2，閉合開關(guān)S1，讓電池組給電容器充電，當(dāng)電容器充滿電后，讀出并記錄電壓表的示數(shù)U，然后斷開開關(guān)S1.③斷開開關(guān)S1后，閉合開關(guān)S2，每間隔5s讀取并記錄一次電流表A2的電流值I2，直到電流消失．④以放電電流I2為縱坐標(biāo)，放電時間t為橫坐標(biāo)，在坐標(biāo)紙上作出I2－t圖像．(1)在電容器的充電過程中，電容器兩極板上的電荷量逐漸____________(選填“增大”或“減小”)，電流表A1的示數(shù)逐漸____________(選填“增大”或“減小”)．(2)由I2－t圖像可知，充電結(jié)束時電容器儲存的電荷量Q＝________C．(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)(3)若步驟②中電壓表的示數(shù)U＝2.95V，則滑動變阻器接入電路部分的阻值R＝________Ω.(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)(4)類比直線運動中由v－t圖像求位移的方法，當(dāng)電容為C的電容器兩板間電壓為U時，電容器所儲存的電能Ep＝________(請用帶有U、C的表達式表示)．6.(多選)如圖所示，平行板電容器A、B間有一帶電油滴P正好靜止在極板正中間，現(xiàn)將B極板勻速向下移動到虛線位置，其他條件不變。則在B極板移動的過程中()A．油滴將向下做勻加速運動B．電流計中電流由b流向aC．油滴運動的加速度逐漸變大D．極板帶的電荷量減少【素養(yǎng)提升】7.利用如圖所示電路觀察電容器的充、放電現(xiàn)象，其中E為電源，R為定值電阻，C為電容器，A為電流表，V為電壓表．下列說法正確的是()A．充電過程中，電流表的示數(shù)逐漸增大后趨于穩(wěn)定B．充電過程中，電壓表的示數(shù)迅速增大后趨于穩(wěn)定C．放電過程中，電流表的示數(shù)均勻減小至零D．放電過程中，電壓表的示數(shù)均勻減小至零8．如圖所示，電源的電動勢為3V、內(nèi)阻為2Ω，的電阻為8Ω，電容器的電容為600μF，所有電壓表和電流表均視為理想電表。在將滑動變阻器（最大阻值為8Ω）的滑片由上端緩慢地滑到下端的過程中，下列說法正確的是（）A.V1示數(shù)增大，V2示數(shù)減小 B.消耗的電功率先增大后減小C.兩端的最大電壓為2V D.電容器極板上增加的電荷量為9.如圖所示的電路中，電源電動勢為，內(nèi)阻忽略不計，定值電阻。閉合開關(guān)，當(dāng)電阻箱接入電路的阻值為時，一帶電微粒恰好懸浮于電容器C兩板的正中間位置。已知帶電微粒的質(zhì)量為，電容器C兩極板間的距離為，重力加速度為，電源負極接地，則下列說法正確的是（）A.帶電微粒帶負電荷B.帶電微粒的電荷量大小為C.帶電微粒的電勢能為D.減小電阻箱接入電路的阻值，懸浮的帶電微粒會向上移動10．隨著傳感器技術(shù)的不斷進步，傳感器在中學(xué)實驗室逐漸普及．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”實驗，電路如圖甲所示．(1)先使開關(guān)K與1端相連，電源對電容器充電，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R放電，傳感器將電流、電壓信息傳入計算機，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________C，電容器的電容為________F；(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．11．電荷的定向移動形成電流，電流表示單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量，即I＝eq\f(q,t)。電流傳感器可以像電流表一樣測量電流，并且可以和計算機相連，畫出電流與時間的變化圖像。圖甲是用電流傳感器觀察充、放電過程的實驗電路圖，圖中電源的電壓為6V。先使開關(guān)S與1接通，待充電完成后，再使開關(guān)S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，顯示出電流隨時間變化的i－t圖像，如圖乙所示。(1)下列說法正確的是________。A.電容器充電的過程中，負電荷由電源的正極移動到電容器的正極板B.電容器充電的過程中，電路中的電流不斷增大C.電容器放電的過程中，電容器兩極板間的場強不斷變小D.電容器放電的過程中，電容器把儲存的電能轉(zhuǎn)化為電路中其他形式的能量(2)根據(jù)乙圖中圖線計算得出電容器放電前所帶的電荷量為________(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)。12.某同學(xué)用平行板電容器設(shè)計制作了單電容熱膨脹檢測儀，原理如圖所示。電容器上極板固定，下極板可隨材料豎直方向的尺度變化而上下移動。閉合開關(guān)S，若材料熱脹冷縮，則（）A.材料溫度降低，極板間電場強度變大B.滑動變阻器滑片向上滑動少許可以降低電容器的工作電壓C.檢測到靈敏電流計的電流方向為從到，說明電容器在充電D.檢測結(jié)束，斷開開關(guān)，靈敏電流計上有從到的短暫電流13.用圖（a）的電路研究電容器的充放電，電源電動勢為12V（內(nèi)阻忽略不計）；R1、R2、R3為定值電阻，其中R2=160Ω；電流傳感器（內(nèi)阻忽略不計）將電流信息傳入計算機，顯示出電流隨時間變化的I-t圖像。(1)①閉合開關(guān)K2，開關(guān)K1與1接通，待充電完成后，再與2接通，電容器放電的I-t圖像如圖（b）中的圖線I，圖線I與時間軸圍成的“面積”為S1，其物理意義是；②斷開開關(guān)K2，開關(guān)K1與1接通，待充電完成后，再與2接通，電容器放電的I-t圖像如圖（b）中的圖線II，圖線II與時間軸圍成的“面積”為S2，理論上應(yīng)該有S1S2（選填“>”“<”或“=”）；(2)測得S1為2.64mA?s，由此可知電容器的電容C=μF，定值電阻R3=Ω；開關(guān)K2閉合時，電容器放電過程中通過R3的電量為C。14.如圖甲是研究電容器電容大小的電路圖。電壓傳感器（內(nèi)阻可看作無窮大）可以實時顯示A、B間電壓大小