第四講 實驗：觀察電容器的充、放電現(xiàn)象

開始理清實驗原理與方案0103目錄訓練注重創(chuàng)新與發(fā)展第四講實驗：觀察電容器的充、放電現(xiàn)象(基礎實驗)一、理清原理與操作原理裝置圖操作要領1.電容器的充電過程開關S接1時，電源給電容器充電，電容器帶電荷量、電壓逐漸增大，電流逐漸減小，最后電流為零，如圖甲所示。2．電容器的放電過程開關S接2時，電容器負極板上負電荷與正極板上正電荷中和，兩極板的電荷量逐漸減小，電流逐漸減小，最后電壓也逐漸減為零，如圖乙所示。續(xù)表二、掌握數(shù)據(jù)處理方法實驗項目實驗現(xiàn)象電容器充電燈泡L亮度由明到暗最后熄滅電流表A讀數(shù)由大到小最后為零電壓表V讀數(shù)由小到大最后穩(wěn)定電容器放電燈泡L亮度由明到暗最后熄滅電流表A讀數(shù)由大到小最后為零電壓表V讀數(shù)由大到小最后為零三、強化重點環(huán)節(jié)和關鍵能力本實驗操作過程中應注意以下問題：(1)連接電路時注意電流表和電壓表的正、負極和量程。(2)對電解電容器也要注意正、負極。(3)要選擇電容較大的電容器。(4)實驗過程要在干燥的環(huán)境中進行。1．(2023·揚中模擬)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。當把開關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，這個過程叫作______________。解析：將開關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S由1合向2時，從電勢高的正極板能形成電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，這個過程叫作放電。答案：充電正自右向左放電2．電容器作為儲能器件，在生產(chǎn)生活中有廣泛的應用。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”)。

“恒流源”(2)中電源電源兩端電壓

通過電源的電流

曲線上該點切線斜率大，即為曲線①。這樣能在較短時間內(nèi)使電荷量達到最大，故可以實現(xiàn)對電容器快速充電。增大電阻R，剛開始充電瞬間電流I小，即為曲線②，該曲線接近線性，可以實現(xiàn)均勻充電。

“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.某同學利用圖(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S2，再斷開開關S2；閉合開關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_____________________。解析：(2)電壓表每小格代表0.1V，且讀數(shù)要求保留兩位小數(shù)，其讀數(shù)為3.60V。(3)繪出U-t圖線，偏離圖線最遠的點誤差最大，由此確定t＝40.0s時對應的數(shù)據(jù)誤差最大。(4)測量電容器充電時兩極板間的電壓隨時間的變化，必須保證開始(t＝0)時，電容器不帶電。電路中C、R2和S2構(gòu)成回路的作用就是在實驗開始前，通過閉合S2，使電容器放電，特別是當實驗需要重復多次時，在重復實驗前必須先對電容器放電。答案：(1)如圖1所示(2)3.60

(3)如圖2所示40.0(4)對電容器進行放電，方便實驗多次測量4．(2023·江蘇泰州模擬)在“用傳感器觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實驗中，電路圖如圖1所示。一位同學使用的電源電動勢為10.0V，測得放電的I-t圖像如圖2所示。(1)若按“四舍五入(大于半格算一個，小于半格舍去)”法，根據(jù)“I-t圖線與兩坐標軸包圍面積”，電容器在全部放電過程中釋放的電荷量約為______C。(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)(2)根據(jù)以上數(shù)據(jù)估算電容器的電容值為______F。(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)(3)如果將電阻R換成一個阻值更大的電阻，則放電過程釋放的電荷量__________(選填“變多”“不變”或“變少”)。解析：(1)電容器的放電圖像是一條逐漸下降的曲線，而q＝It，從微元法得到，I-t圖像與坐標軸圍成的面積就是總的電荷量，經(jīng)確認：圖像下共有40格，所以電容器在全部放電過程中釋放的電荷量約為Q＝40×0.001×0.4C≈0.016C。(3)由題圖看出，若將電阻換成一個阻值較大的電阻，但由于電容器電荷量一定，則所有電荷量將通過電阻R釋放，只是圖像更加平緩些，但釋放的電荷量不變。答案：(1)0.016

(2)0.0016

(3)不變5．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、單刀雙擲開關按圖甲所示電路圖進行連接。先使開關S與1端相連，電源向電容器充電，充電完畢后把開關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)