(新高考)高考物理一輪復(fù)習(xí)課件第8章第3講《電容器　實驗：觀察電容器的充、放電現(xiàn)象 帶電粒子在電場中的直線運動》(含解析)

第八章

靜電場第3講電容器實驗：觀察電容器的充、

放電現(xiàn)象

帶電粒子在電場中的

直線運動目標(biāo)要求1.了解電容器的充電、放電過程，會計算電容器充、放電電荷量.2.了解影響平行板電容器電容大小的因素，能利用公式判斷平行板電容器電容的變化.3.利用動力學(xué)、功能觀點分析帶電粒子在電場中的直線運動.內(nèi)容索引考點一電容器及平行板電容器的動態(tài)分析考點二實驗：觀察電容器的充、放電現(xiàn)象課時精練考點三帶電粒子(帶電體)在電場中的直線運動考點一電容器及平行板電容器的動態(tài)分析1.電容器(1)組成：由兩個彼此

又相距很近的導(dǎo)體組成.(2)帶電荷量：一個極板所帶電荷量的

.(3)電容器的充、放電：①充電：使電容器帶電的過程，充電后電容器兩極板帶上等量的

，電容器中儲存電場能.②放電：使充電后的電容器失去電荷的過程，放電過程中

轉(zhuǎn)化為其他形式的能.夯實必備知識基礎(chǔ)梳理絕緣絕對值異種電荷電場能2.電容(1)定義：電容器所帶的

與電容器兩極板之間的

之比.(2)定義式：C＝

.(3)單位：法拉(F)、微法(μF)、皮法(pF).1F＝

μF＝

pF.(4)意義：表示電容器

本領(lǐng)的高低.(5)決定因素：由電容器本身物理條件(大小、形狀、極板相對位置及電介質(zhì))決定，與電容器是否帶電及電壓

.電荷量電勢差1061012容納電荷無關(guān)3.平行板電容器的電容(1)決定因素：

、

、

.(2)決定式：C＝

.正對面積相對介電常數(shù)兩板間的距離1.電容器的電荷量等于兩個極板所帶電荷量絕對值的和.(

)2.電容器的電容與電容器所帶電荷量成正比，與電壓成反比.(

)3.放電后電容器的電荷量為零，電容也為零.(

)×××1.兩類典型問題(1)電容器始終與恒壓電源相連，電容器兩極板間的電勢差U保持不變.(2)電容器充電后與電源斷開，電容器兩極板所帶的電荷量Q保持不變.2.動態(tài)分析思路(1)U不變①根據(jù)C＝

先分析電容的變化，再分析Q的變化.②根據(jù)E＝

分析場強的變化.③根據(jù)UAB＝E·d分析某點電勢變化.提升關(guān)鍵能力方法技巧例1

(多選)如圖所示，電容式麥克風(fēng)的振動膜是利用超薄金屬或鍍金的塑料薄膜制成的，它與基板構(gòu)成電容器，并與電阻、電池構(gòu)成閉合回路.麥克風(fēng)正常工作時，振動膜隨聲波左右振動.下列說法正確的是A.振動膜向右運動時，電容器的板間電場強度不變B.振動膜向右運動時，a點的電勢比b點的電勢高C.振動膜向左運動時，電阻上有從a到b的電流D.振動膜向左運動時，振動膜所帶的電荷量減小考向1兩極板間電勢差不變√√振動膜向左振動時電容器兩極板的距離變大，根據(jù)C＝

，電容減小，根據(jù)C＝

知，在U不變的情況下，Q減小，電容器放電，R中電流方向向上，即有從b到a

的電流，C錯誤，D正確.例2

(多選)如圖所示，平行板電容器與電動勢為E的直流電源連接，下極板接地，靜電計所帶電荷量很少，可忽略，開關(guān)閉合，穩(wěn)定時一帶電的油滴靜止于兩極板間的P點，若斷開開關(guān)K，將平行板電容器的上極板豎直向下平移一小段距離，則下列說法正確的是A.靜電計指針的張角變小B.P點電勢升高C.帶電油滴向上運動D.帶電油滴的電勢能不變考向2兩極板帶電荷量不變√√將平行板電容器的上極板豎直向下平移一小段距離，極板間距減小，根據(jù)C＝

可知，電容器的電容增大，當(dāng)開關(guān)斷開后，兩極板的電荷量不變，又U＝

，所以，極板間的電勢差減小，則靜電計指針的張角變小，A正確；根據(jù)場強公式，得E＝

，當(dāng)斷開開關(guān)后，極板的電荷量不變，故可得場強不變，故帶電油滴不會移動，根據(jù)電勢差與場強的關(guān)系可知，P點的電勢不變，帶電油滴的電勢能不變，B、C錯誤，D正確.考向3電容器的綜合分析例3

(多選)平行板電容器的兩極板A、B接于電池兩極，一個帶正電小球懸掛在電容器內(nèi)部，閉合開關(guān)S，電容器充電，穩(wěn)定后懸線偏離豎直方向夾角為θ，如圖所示.那么A.保持開關(guān)S閉合，帶正電的A板向B板靠近，則θ增大B.保持開關(guān)S閉合，帶正電的A板向B板靠近，則θ不變C.開關(guān)S斷開，帶正電的A板向B板靠近，則θ增大D.開關(guān)S斷開，帶正電的A板向B板靠近，則θ不變√√保持開關(guān)S閉合，電容器兩端的電勢差不變，帶正電的A板向B板靠近，極板間距離減小，電場強度E增大，小球所受的靜電力變大，θ增大，故A正確，B錯誤；斷開開關(guān)S，電容器所帶的電荷量不變，由C＝

，C＝

得E＝＝

，知d變化，E不變，小球所受靜電力不變，θ不變，故C錯誤，D正確.考點二實驗：觀察電容器的充、放電現(xiàn)象1.實驗原理(1)電容器的充電過程如圖所示，當(dāng)開關(guān)S接1時，電容器接通電源，在靜電力的作用下自由電子從正極板經(jīng)過電源向負(fù)極板移動，正極板因

電子而帶

電，負(fù)極板因

電子而帶

電.正、負(fù)極板帶

的正、負(fù)電荷.電荷在移動的過程中形成電流.夯實必備知識基礎(chǔ)梳理失去正獲得負(fù)等量在充電開始時電流比較

(填“大”或“小”)，以后隨著極板上電荷的增多，電流逐漸

(填“增大”或“減小”)，當(dāng)電容器兩極板間電壓等于電源電壓時電荷停止定向移動，電流I＝0.大減小(2)電容器的放電過程如圖所示，當(dāng)開關(guān)S接2時，相當(dāng)于將電容器的兩極板直接用導(dǎo)線連接起來，電容器正、負(fù)極板上電荷發(fā)生

.在電子移動過程中，形成電流.放電開始電流較

(填“大”或“小”)，隨著兩極板上的電荷量逐漸減小，電路中的電流逐漸

(填“增大”或“減小”)，兩極板間的電壓也逐漸減小到零.中和大減小2.實驗步驟(1)按圖連接好電路.(2)把單刀雙擲開關(guān)S打在上面，使觸點1和觸點2連通，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打在下面，使觸點3和觸點2連通，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.3.注意事項(1)電流表要選用小量程的靈敏電流計.(2)要選擇大容量的電容器.(3)實驗要在干燥的環(huán)境中進(jìn)行.例4

在如圖所示實驗中，關(guān)于平行板電容器的充、放電，下列說法正確的是A.開關(guān)接1時，平行板電容器充電，且上極板帶正電B.開關(guān)接1時，平行板電容器充電，且上極板帶負(fù)電C.開關(guān)接2時，平行板電容器充電，且上極板帶正電D.開關(guān)接2時，平行板電容器充電，且上極板帶負(fù)電考向1電容器充、放電現(xiàn)象的定性分析√開關(guān)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(guān)接2時，平行板電容器放電，放電結(jié)束后上、下極板均不帶電，C、D錯誤.例5

(2022·山東棗莊市模擬)電流傳感器可以測量電流，它的反應(yīng)非?？?，可以捕捉到瞬間的電流變化；將它與計算機相連還能用計算機顯示出電流隨時間變化的i－t圖像，圖甲所示的電路中：直流電源電動勢為8V，內(nèi)阻可忽略；C為電容器，先將單刀雙擲開關(guān)S與1相連，電源向電容器充電，這個過程可在短時間內(nèi)完成；然后把開關(guān)S與2相連，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i－t圖像如圖乙所示，(下列結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)考向2電容器充、放電現(xiàn)象的定量計算(1)根據(jù)i－t圖像可估算電容器在全部放電過程中釋放的電荷量為_____________C；1.6×10－3根據(jù)i－t圖像圍成的面積可估算電容器在全部放電過程中釋放的電荷量，根據(jù)題圖乙知縱坐標(biāo)每個小格為0.2mA，橫坐標(biāo)每小格為0.2s，則每小格所代表的電荷量為q＝0.2×10－3×0.2C＝4×10－5C，曲線下的小格數(shù)的個數(shù)大約為41個，所以電容器全部釋放的電荷量為Q＝41q≈1.6×10－3C(2)通過實驗數(shù)據(jù)，計算出電容器的電容為________F；2×10－4該電容器的電容為C＝

＝2×10－4F.(3)如果不改變電路其他參數(shù)，只減小電阻R，充電時i－t曲線與橫軸所圍成的面積將_____(填“增大”“不變”或“變小”)；充電時間將______(填“變長”“不變”或“變短”).不變變短根據(jù)電容的計算公式可得電荷量Q＝CU，電容器儲存的電荷量Q與電阻R無關(guān)，如果不改變電路其他參數(shù)，只減小電阻R，充電時i－t曲線與橫軸所圍成的面積不變；由于電阻對電流有阻礙作用，所以減小電阻，充電時間將變短.考點三帶電粒子(帶電體)在電場中的直線運動考向1帶電粒子在電場中的直線運動1.做直線運動的條件(1)粒子所受合外力F合＝0，粒子靜止或做勻速直線運動.(2)粒子所受合外力F合≠0且與初速度共線，帶電粒子將做加速直線運動或減速直線運動.2.用動力學(xué)觀點分析3.用功能觀點分析非勻強電場中：W＝qU＝Ek2－Ek1例6

如圖所示，一充電后的平行板電容器的兩極板相距l(xiāng).在正極板附近有一質(zhì)量為M、電荷量為q(q>0)的粒子；在負(fù)極板有另一質(zhì)量為m、電荷量為－q的粒子.在靜電力的作用下，兩粒子同時從靜止開始運動.已知兩粒子同時經(jīng)過平行于正極板且與其相距

的平面.若兩粒子間的相互作用可忽略，不計重力，則M∶m為A.3∶2 B.2∶1C.5∶2 D.3∶1√考向2帶電體在靜電力和重力作用下的直線運動例7

如圖所示，一平行板電容器水平放置，板間距離為d，上下極板開有一小孔，四個質(zhì)量均為m、帶電荷量均為q的帶電小球，其間用長均為

的絕緣輕桿相連，處于豎直狀態(tài)，今使下端小球恰好位于上極板小孔中，且由靜止釋放，讓四球豎直下落.當(dāng)下端第二個小球到達(dá)下極板時，速度恰好為零.重力加速度為g，(僅兩極板間存在電場)試求：(1)兩極板間的電壓；(2)小球運動的最大速度.1.常見的交變電場常見的產(chǎn)生交變電場的電壓波形有方形波、鋸齒波、正弦波等.2.常見的題目類型(1)粒子做單向直線運動.(2)粒子做往返運動.考向3帶電粒子在交變電場中的直線運動3.解題技巧(1)按周期性分段研究.(2)將φ－t圖像U－t圖像E－t圖像例8

勻強電場的電場強度E隨時間t變化的圖像如圖所示，當(dāng)t＝0時，在此勻強電場中由靜止釋放一個帶電粒子(帶正電)，設(shè)帶電粒子只受靜電力的作用，則下列說法中正確的是A.帶電粒子將始終向同一個方向運動B.2s末帶電粒子回到原出發(fā)點C.3s末帶電粒子的速度不為零D.0～3s內(nèi)，靜電力做的總功為零√由牛頓第二定律可知，帶電粒子在第1s內(nèi)的加速度大小為a1＝

，第2s內(nèi)加速度大小為a2＝

，故a2＝2a1，因此先加速1s再減速0.5s時速度為零，接下來的0.5s將反向加速，v－t圖像如圖所示：帶電粒子在第1s做勻加速運動，在第2s內(nèi)先做勻減速運動，后反向加速，所以不是始終向同一方向運動，故A錯誤；根據(jù)速度－時間圖像與坐標(biāo)軸圍成的面積表示位移可知，在t＝2s時，帶電粒子沒有回到出發(fā)點，故B錯誤；由圖可知，3s末的瞬時速度為0，故C錯誤；因為第3s末粒子的速度剛好減為0，根據(jù)動能定理可知，0～3s內(nèi)，靜電力做的總功為零，故D正確.課時精練必備基礎(chǔ)練1234567891011121.(多選)關(guān)于電容器的電容，下列說法中正確的是A.根據(jù)C＝

可知，電容器的電容與其所帶電荷量成正比，跟兩極板間的

電壓成反比B.對于確定的電容器，其所帶電荷量與兩板間的電壓成正比C.無論電容器電壓如何變化(小于擊穿電壓且不為零)，它所帶的電荷量

與電壓的比值都恒定不變D.電容器所帶電荷量增加2倍，則電容增大2倍√√123456789101112電容是電容器本身的性質(zhì)，一個確定的電容器的電容是不變的，與所帶的電荷量無關(guān)，故A、D錯誤；根據(jù)Q＝CU，對于確定的電容器，其所帶電荷量與兩板間的電壓成正比，故B正確；根據(jù)電容的定義式C＝

可知，電容器所帶的電荷量與電壓的比值是電容，故C正確.1234567891011122.工廠在生產(chǎn)紡織品、紙張等絕緣材料時為了實時監(jiān)控其厚度，通常要在生產(chǎn)流水線上設(shè)置如圖所示傳感器.其中A、B為平行板電容器的上、下兩個極板，上、下位置均固定，且分別接在恒壓直流電源的兩極上.當(dāng)流水線上通過的產(chǎn)品厚度增大時，下列說法正確的是A.A、B平行板電容器的電容減小B.A、B兩板間的電場強度增大C.A、B兩板上的電荷量變小D.有電流從a向b流過靈敏電流計√123456789101112根據(jù)平行板電容器的決定式C＝

可知當(dāng)產(chǎn)品厚度增大時，導(dǎo)致εr增大，電容器的電容C增大，A錯誤；電壓U不變，根據(jù)Q＝CU可知，極板帶電荷量Q增加，C錯誤；電容增大，故電容器充電，電流從a向b流過靈敏電流計，D正確；兩板之間的電勢差不變，板間距不變，則兩板間電場強度E＝

不變，B錯誤.1234567891011123.(多選)如圖所示，平行板電容器在充電后不切斷電源，此時板間有一帶電塵粒恰能在電場中靜止，當(dāng)正對的平行板左右錯開一些時A.帶電塵粒將向上運動B.帶電塵粒將保持靜止C.通過電阻R的電流方向為A到BD.通過電阻R的電流方向為B到A√√123456789101112由于電容器與電源相連，故電容器兩端電壓不變，因板間距不變，故極板間的場強不變，帶電塵粒所受的靜電力不變，帶電塵粒仍能保持靜止，A錯誤，B正確；因正對面積減小，由C＝

知，C減小，因電壓不變，由C＝

知，Q減小，故電容器放電，因電容器上極板接電源正極，上極板帶正電，所以電流由A流向B，D錯誤，C正確.1234567891011124.靜電火箭是利用電場加速工作介質(zhì)形成高速射流而產(chǎn)生推力的.工作過程簡化圖如圖所示，離子源發(fā)射的離子經(jīng)過加速區(qū)加速，進(jìn)入中和區(qū)與該區(qū)域里面的電子中和，最后形成中性高速射流噴射而產(chǎn)生推力.根據(jù)題目信息可知A.M板電勢低于N板電勢B.進(jìn)入中和區(qū)的離子速度與離子帶電荷量無關(guān)C.增大加速區(qū)MN極板的距離，可以增大射流速度而獲得更大的推力D.增大MN極板間的電壓，可以增大射流速度而獲得更大的推力√123456789101112由于加速后的離子在中和區(qū)與電子中和，所以被加速的離子帶正電，則加速器極板M電勢高，A錯誤；由動能定理知qU＝

mv2，解得v＝

，所以進(jìn)入中和區(qū)的離子速度與比荷、加速電壓有關(guān)，與極板距離無關(guān)，故D正確，B、C錯誤.1234567891011125.(多選)如圖所示，A、B兩導(dǎo)體板平行放置，在t＝0時將電子從A板附近由靜止釋放(電子的重力忽略不計).若分別在A、B兩板間加下列選項所示的四種周期性變化的電壓(各選項僅展示了一個周期內(nèi)的電壓)，則其中一定能使電子打到B板的是√√123456789101112加A項所示電壓時，電子最初受到向右的靜電力，開始向B板運動，電子先做加速度減小的加速運動，然后做加速度增大的減速運動，2t0時刻速度為零，再向A板先加速、后減速至初始位置，且到初始位置時速度變?yōu)榱悖绱嗽贏、B間往復(fù)運動，電子有可能打不到B板，故A錯誤；加B項所示電壓時，電子向B板先勻加速再勻減速，2t0時刻速度為零，再向A板先加速、后減速至初始位置，且到初始位置時速度變?yōu)榱?，如此在A、B間往復(fù)運動，電子有可能打不到B板，故B錯誤；123456789101112加C項所示電壓時，電子向B板先加速再減速至速度為零，周而復(fù)始，一直向B板運動，一定能到達(dá)B板，故C正確；加D項所示電壓時，電子在一個周期內(nèi)速度的方向不變，一直向B板運動，一定能到達(dá)B板，故D正確.1234567891011126.如圖所示，傾斜放置的平行板電容器兩極板與水平面夾角為θ，極板間距為d，帶負(fù)電的微粒質(zhì)量為m、帶電荷量大小為q，從極板M的左邊緣A處以初速度v0水平射入，沿直線運動并從極板N的右邊緣B處射出，重力加速度為g，則√123456789101112微粒僅受靜電力和重力，靜電力方向垂直于極板，重力的方向豎直向下，微粒做直線運動，合力方向沿水平方向，由此可知，靜電力方向垂直于極板斜向左上方，合力方向水平向左，微粒做減速運動，微粒到達(dá)B點時動能小于

mv02，選項A錯誤；根據(jù)qEsin

θ＝ma，qEcos

θ＝mg，解得E＝

，a＝gtan

θ，選項B錯誤；123456789101112兩極板的電勢差UMN＝Ed＝

，選項C正確；微粒從A點到B點的過程，靜電力做負(fù)功，電勢能增加，電勢能增加量為

，選項D錯誤.1234567891011127.(多選)如圖所示電路，電容器兩板水平，下板接地，電鍵K閉合，P為兩板間的一固定點，要使P點的電勢升高，下列措施可行的是A.僅斷開電鍵KB.僅將下板向下平移一些C.僅將上板向下平移一些D.斷開電鍵K將下板向下平移一些√能力綜合練√√123456789101112設(shè)P到下板的距離為h，僅斷開電鍵K，兩板的帶電荷量不變，兩板間的電場強度不變，則P點的電勢φP＝hE不變，A錯誤；僅將下板向下平移一些，則兩極板間電壓U不變，則由E＝

可知，d增大，則E減小，可知P點與上極板間電勢差減小，故P點電勢升高；若僅將上板向下平移一些，則d減小，E增大，可知P點與下極板間電勢差增大，則P點電勢升高，B、C正確；斷開電鍵后，電容器的帶電荷量不變，板間距離變化時，板間場強不變，h變大，由φP＝hE可知，P點的電勢升高，D正確.1234567891011128.(多選)一質(zhì)量為m、電荷量為q的帶正電粒子(重力不計)以速度v0逆著電場線方向射入有左邊界的勻強電場，場強為E(如圖所示)，則√√1234567891011121234567891011129.(多選)如圖甲所示，A、B兩極板間加上如圖乙所示的交變電壓，A板的電勢為0，一質(zhì)量為m、電荷量大小為q的電子僅在靜電力作用下，在t＝時刻從A板的小孔處由靜止釋放進(jìn)入兩極板運動，恰好到達(dá)B板，則√√123456789101112123456789101112電子在兩板間先向右做勻加速直線運動，然后向右做勻減速直線運動，故C錯誤；10.(2022·江蘇蘇州市模擬)如圖所示，矩形勻強電場區(qū)Ⅰ、Ⅱ的高和間距均為h，上面為Ⅰ、下面為Ⅱ，電場強度方向在豎直平面內(nèi)，電場強度大小為E.質(zhì)量為m的帶電小球由靜止釋放，進(jìn)入電場Ⅰ和Ⅱ時的速度相等，空氣阻力不計，重力加速度為g，則A.剛進(jìn)入電場Ⅰ時加速度方向豎直向上B.穿過電場Ⅰ的時間大于在兩電場之間的運動時間C.穿過兩電場后小球的電勢能增加了3mghD.穿過兩電場后小球的電勢能增加2mgh123456789101112√因為小球在勻強電場區(qū)Ⅰ、Ⅱ之間的運動是勻加速運動，其末速度與其進(jìn)入勻強電場區(qū)Ⅰ的初速度相等，由于勻強電場區(qū)Ⅰ與Ⅰ、Ⅱ之間的間距均為h，且在勻強電場區(qū)Ⅰ中一定做勻變速運動，所以帶電小球在勻強電場區(qū)Ⅰ中做勻減速運動，加速度大小等于重力加速度，根據(jù)F－mg＝ma可知靜電力為重力的2倍，運動過程與在Ⅰ、Ⅱ之間的運動具有對稱性，穿過電場Ⅰ的時間等于在兩電場之間的運動時間，所以A正確，B錯誤；123456789101112由于靜電力為重力的2倍，所以經(jīng)過兩個電場區(qū)域，電勢能增加ΔEp＝2×2mgh＝4mgh，選項C、D錯誤.12345678910111212345678910111211.隨著傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)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；正123456789101112電容器上極板與電源正極相連，充滿電后上極板帶正電；