三維設(shè)計2024高三物理總復(fù)習(xí) 第47課時 觀察電容器的充、放電現(xiàn)象 實驗增分課

第47課時觀察電容器的充、放電現(xiàn)象[實驗增分課]目錄CONTENT立足“四層”·夯基礎(chǔ)著眼“四翼”·探考點聚焦“素養(yǎng)”·提能力020301Part01立足“四層”·夯基礎(chǔ)?實驗電路實驗過程??（1）觀察電容器充電現(xiàn)象：充電電流由電源的正極流向電容器的正極板，同時，電流從電容器的負極板流向電源的負極，電流表示數(shù)逐漸變小，最后為0。（2）觀察電容器的放電現(xiàn)象：放電電流由電容器的正極板經(jīng)過電流表流向電容器的負極板，放電電流逐漸減小，最后為0。充、放電電流的變化是極短暫的。數(shù)據(jù)處理誤差分析（1）整個圖像與橫軸所圍的面積的物理意義是整個充電或放電時間內(nèi)通過電流表的電荷量，也等于充滿電后或放電開始時電容器極板上的電荷量。（1）電流測量和讀數(shù)不準確帶來誤差；（2）利用I－t圖像進行數(shù)據(jù)處理時也會造成誤差。（2）估算電容器充電或放電過程中電荷量的方法是：先算出一個小方格代表的電荷量，然后數(shù)出整個圖像與橫軸所圍的面積中的方格數(shù)（大于半個的按一個方格計算，小于半個的舍棄）。電容器充電或放電過程中電荷量為一個小方格代表的電荷量乘以方格數(shù)。Part02著眼“四翼”·探考點?【典例1】

圖甲是一種測量電容器電容的實驗電路圖，實驗是通過對高阻值電阻放電的方法，測出電容器充電至電壓U時所帶電荷量Q，從而求出待測電容器的電容C。某同學(xué)在一次實驗時的情況如下：A.按如圖甲所示的電路圖接好電路；B.接通開關(guān)S，調(diào)節(jié)電阻箱R的阻值，使電流表的指針偏轉(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＝8.0V；C.斷開開關(guān)S，同時開始計時，每隔5s測讀一次電流i的值，將測得數(shù)據(jù)填入表格，并標示在圖乙的坐標紙上（時間t為橫坐標，電流i為縱坐標），如圖乙中小黑點所示。（1）在圖乙中畫出i－t圖像；解析

（1）用平滑的曲線連接，作出圖像如圖所示。答案

（1）見解析圖

（2）圖乙中圖線與橫坐標軸所圍成面積的物理意義是

?；

解析

（2）由ΔQ＝I·Δt知，電荷量為i－t圖像與橫坐標軸所包圍的面積，則圖乙中圖線與橫坐標軸所圍成面積為電容器在開始放電時所帶的電荷量。答案

（2）在開始放電時電容器所帶的電荷量

答案

（3）1.1×10－3

（3）該電容器電容為

?F（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）；

（4）若某同學(xué)實驗時把電壓表接在E、D兩端，則電容的測量值比它的真實值

?

（選填“偏大”“偏小”或“相等”）。

?解析

（4）若把電壓表接在E、D兩端，則電容器在放電時，有一部分電荷量會從電壓表中通過，從而使得通過電流表的電荷量小于電容器的帶電荷量，從而使電容的測量值比它的真實值偏小。答案

（4）偏小?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

?（選填“正”或“負”）電荷，電路穩(wěn)定后靈敏電流計G的示數(shù)為零。當把開關(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

?。

解析：將開關(guān)S合向1，電源與電容器連通，電路中有電流流過，說明電源在給電容器儲存電荷，這一過程叫作充電；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，其上極板帶正電荷；當把開關(guān)S由1合向2時，從電勢高的正極板能形成電流流到電勢低的負極板，則有自右向左流過靈敏電流計G的短暫電流，這個過程叫放電。答案：充電

正

自右向左

放電?【典例2】

某實驗小組利用圖（a）所示電路測量一電容器的電容，實驗器材有：待測電容器（電容標稱值C0＝1000μF）、6節(jié)干電池、定值電阻R、電壓傳感器、電流傳感器、計算機、單刀雙擲開關(guān)S、導(dǎo)線若干。請回答下列問題：（1）按圖（a）連接實物電路。先將開關(guān)S從2端撥至1端，電源對電容器充電；再將開關(guān)S撥至2端，電容器放電。傳感器將信息即時輸入計算機，屏幕上顯示出如圖（b）所示的電流I、電壓U隨時間t變化的I－t圖線、U－t圖線，則曲線

?（選填“①”“②”“③”“④”）表示電容器充電過程的U－t圖線，曲線

?（選填“①”“②”“③”“④”）表示電容器放電過程的I－t圖線。

解析

（1）充電過程，電壓逐漸增大，且增大得越來越慢，故充電過程電壓隨時間變化的圖線為①；放電過程電壓逐漸變小，減小得越來越慢，電容器放電，放電電流與充電電流方向相反，電流逐漸變小，且減小得越來越慢，故放電過程電流隨時間變化的圖像為④。答案

（1）①

④

（2）已知每節(jié)干電池的電動勢為1.6V，為了完成上述實驗，至少需要將

?節(jié)干電池串聯(lián)作為電源。

答案（2）5

答案（3）7.2×10－39.2×102

8.0｜創(chuàng)新點評｜（1）通過電流、電壓傳感器輸出充電過程的電流、電壓隨時間t變化。（2）計算電容器的電容與標稱值進行對比。?1.圖甲是研究電容器的充、放電實驗裝置，該實驗利用高阻值電阻延長放電時間，繪制電容器放電電流與時間的圖像（i－t圖像）來研究電容器的充、放電規(guī)律。根據(jù)相關(guān)條件，回答下列問題：（1）接通開關(guān)S1、S2，電容器的

?（選填“上”或“下”）極板帶正電，再斷開開關(guān)S1的瞬間，R中的電流方向

?。

解析：（1）接通開關(guān)S1、S2，電容器的上極板與電源正極相連，故上極板帶正電；斷開開關(guān)S1的瞬間，電容器開始放電，電流從上極板流向下極板，R中的電流方向為從a到b。答案：（1）上

a到b

（2）若斷開開關(guān)S1，同時開始計時，通過計算機在同一圖中描繪出的電壓和電流的變化情況的圖線如圖乙所示，則圖中全部陰影部分所圍成面積的物理意義是

?。圖中陰影部分S1面積

?（選填“大于”“等于”或“小于”）圖中陰影部分S2面積，定值電阻R的阻值為

?Ω。

答案：（2）充電后電容器極板上的帶電荷量

等于

20002.某實驗小組利用如下器材測量電容器的電容：直流穩(wěn)壓電源、待測電容器（額定電壓12V）、定值電阻R1＝120Ω、定值電阻R2＝80Ω、電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機、單刀雙擲開關(guān)S、導(dǎo)線若干。實驗過程如下：①將定值電阻R1等器材按圖甲連接電路后，將開關(guān)S與1端連接，電源向電容器充電；②將開關(guān)S與2端連接，測得電流隨時間變化的i－t曲線如圖乙所示；③用R2替換R1后，重復(fù)上述實驗步驟①②，測得電流隨時間變化的i－t曲線如圖丙中的某條虛線所示。兩次實驗中電源的輸出電壓相同，請回答下列問題：（1）電源的輸出電壓為

?V。利用計算機軟件測得乙圖中i－t曲線與兩坐標軸所圍的面積為54mA·s，則電容器的電容為

?F。

答案：（1）10.8

5×10－3

（2）用R2替換R1后，電流隨時間變化的i－t曲線應(yīng)該是圖丙中的

?（選填“b”“c”或“d”），判斷的依據(jù)是

?。

解析：（2）用R2替換R1后，電流隨時間變化的i－t曲線應(yīng)該是題圖丙中的c，因為兩次實驗中電源的輸出電壓相同，充電完成時電容器兩端電壓相同，電荷量相同，則用R2替換R1后，放電初始電流增大，電荷量不變，即圖線與橫坐標軸所圍面積不變，則圖線應(yīng)該是虛線c。答案：（2）c

判斷依據(jù)見解析Part03聚焦“素養(yǎng)”·提能力?

1.某實驗小組觀察電容器的充、放電現(xiàn)象。（1）實驗中所使用的電容器如圖所示，當電容器兩端電壓為額定電壓時，電容器正極板帶電荷量為

?C（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）；

解析：（1）電容器的額定電壓為5.5

V，電容C＝0.47

F，則當電容器兩端電壓為額定電壓時，電容器極板上所帶電荷量為Q＝CU＝0.47×5.5

C≈2.6

C。答案：（1）2.6

（2）下列關(guān)于電容器放電時電容器所帶的電荷量Q與兩極板間的電壓U的關(guān)系、電容器放電時電路中的電流I與時間t的關(guān)系正確的是

?。

解析：（2）電容器放電過程中，隨著電荷量的減少，電壓也減少，最終為零，故A、B錯誤；電容器放電時電流肯定減小，且減小得越來越慢，故C錯誤，D正確。答案：（2）D2.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。解析：（1）U－Q圖像如圖所示。答案：（1）見解析圖（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。

答案：（2）a.R

b.減小電阻R，可以實現(xiàn)對電容器快速充電；增大電阻R，可以實現(xiàn)均勻充電。（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，填寫在表中（選填“增大”“減小”或“不變”）?！昂懔髟础保?）中電源電源兩端電壓通過電源的電流?

答案：（3）“恒流源”（2）中電源電源兩端電壓增大不變通過電源的電流不變減小3.測量電容器電容的方法多種多樣，其中利用電容器放電測電容是常用的方法，實驗電路如圖1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、導(dǎo)線若干。實驗主要步驟如下：①按圖1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，放電時間t為橫坐標，在坐標紙上作出I2－t圖像，如圖2所示。（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