2025高考物理復習觀察電容器的充、放電現象課件教案練習題

第八章靜電場實驗九觀察電容器的充、放電現象基礎梳理夯根基考點研析提能力內容索引課時測評基礎梳理夯根基一、實驗目的1．觀察電容器的充、放電現象。2．探究電容器的充、放電過程中，電流、電壓、電量及能量的變化規(guī)律。二、實驗原理與器材1．實驗原理實驗電路如圖所示，電流表可以測量電容器的充電或放電電流大小，電壓表可以測量電容器兩極間的電壓。(1)充電：開關S接1，電源給電容器充電，使電容器的兩極板帶上等量異種電荷。如圖甲所示。(2)放電：開關S接2，用導線將充好電的電容器的兩極板相連，使兩極板的異種電荷中和，如圖乙所示。(3)電容器充、放電時的能量轉化：充電過程電容器儲存了電能。放電過程電容器將儲存的電能釋放出來，轉化為其他形式的能。2．實驗器材：直流電源、電阻、電容器、電流表(或電流傳感器和計算機)、電壓表、單刀雙擲開關、導線。3．實驗拓展：用電流傳感器(代替電流表)與計算機相連可以直接測出電容器的放電電流隨時間變化的關系圖像。三、實驗步驟與操作1．按照上面的電路圖，把直流電源、電阻、電容器、電流表、電壓表以及單刀雙擲開關組裝成實驗電路。2．觀察電容器的充電過程：把開關S接1，此時電源給電容器充電。在充電過程中，可以看到電壓表示數迅速增大，隨后逐漸穩(wěn)定在某一數值，表示電容器兩極板具有一定的電勢差。通過觀察電流表可以知道，充電時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。隨著兩極板之間電勢差的增大，充電電流逐漸減小至0，此時電容器兩極板帶有一定的等量異種電荷。即使斷開電源，兩極板上電荷由于相互吸引仍然被保存在電容器中。3．觀察電容器的放電過程：把開關S接2，電容器對電阻R放電。觀察電流表可以知道，放電電流由電容器的正極板經過電阻R流向電容器的負極板，正、負電荷中和。此時兩極板所帶的電荷量減小，電勢差減小，放電電流也減小，最后兩極板電勢差以及放電電流都等于0。4．實驗拓展：把電流表、電壓表換成電流傳感器和電壓傳感器，電路如圖所示。由計算機可以直接得到：(1)電容器充電的I-t圖像

(2)電容器放電的I-t圖像四、實驗數據處理1．在I-t圖像中，圖線與時間軸圍成的面積表示電荷量的變化。故整個圖線與橫軸所圍的面積就是整個充電或放電時間內通過電流傳感器的電荷量，也等于電容器的充電量或放電量。2．估算電容器的充電量或放電量的方法：先算出一個小方格代表的電荷量，然后數出整個圖線與橫軸所圍的面積中的方格數(大于半格的按一個方格計算，小于半格的舍棄)。電容器的充電量或放電荷量等于一個小方格代表的電荷量乘以方格數。五、注意事項1．電流表要選用小量程的靈敏電流表。2．要選擇大容量的電容器。3．實驗過程要在干燥的環(huán)境中進行。4．在做放電實驗時，在電路中應串聯一個電阻，避免燒壞電流表。返回考點研析提能力類型一教材原型實驗(2023·新課標卷)在“觀察電容器的充、放電現象”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、單刀雙擲開關以及導線若干。(1)用多用電表的電壓擋檢測電池的電壓。檢測時，紅表筆應該與電池的_____(填“正極”或“負極”)接觸。例1正極多用電表紅表筆流入電流，黑表筆流出電流，故電流表紅表筆應該與電池的正極接觸。(2)某同學設計的實驗電路如圖(a)所示。先將電阻箱的阻值調為R1，將單刀雙擲開關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C電容器充電完成后，開始時兩極板電量較多，電勢差較大，當閉合“2”接入小燈泡，回路立即形成電流，小燈泡迅速變亮；隨著時間的積累，兩極板電量變少，電勢差變小，流過燈泡的電流減小，小燈泡亮度逐漸減小，直至兩極板電荷量為零不帶電，無電流流過小燈泡，即小燈泡熄滅，故選C。(3)將電阻箱的阻值調為R2(R2＞R1)，再次將開關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”)時的結果，曲線與坐標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”)。R2電荷量開始充電時兩極板不帶電，兩極板電勢差為零，設電源內阻為r，則開始充電時有E＝I(R＋r)，由題圖(b)可知開始充電時實線的電流較小，故電路中的電阻較大，因此電阻箱阻值為R2；根據電流的定義式I＝

可知q＝It，故曲線與坐標軸所圍面積等于該次充電完成后電容器上的電荷量。某同學利用如圖(a)所示的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)、秒表、導線若干。(1)按圖(a)所示的電路原理圖將圖(b)中的實物圖連線。答案：見解析圖例2根據電路圖，連接實物圖如圖甲所示。(2)先閉合開關S2，再斷開開關S2，閉合開關S1，同時按下秒表開始計時。若某時刻電壓表示數如圖(c)所示，電壓表的讀數為_____V。3.60電壓表的量程為6V，分度值為0.1V，所以讀數為3.60V。(3)該同學每隔10s記錄一次電壓表的讀數，記錄的數據如表所示。在給出的坐標紙上繪出圖線，已知只有一個數據點誤差較大，該數據點對應表中的時間是_____s。答案：見解析圖時間t/s10.020.030.040.050.060.0電壓U/V2.143.454.234.515.005.1840.0先描點，然后用圓滑的曲線將所描的點連接起來，如圖乙所示。從數據中可得出，電壓表示數變化得越來越慢，而從40s到50s之間數據變化又突然快了，所以該數據對應表中的時間為40.0s。對點練．如圖為“觀察電容器的充、放電現象”實驗。實驗器材：電源E(電動勢9.50V，內阻可忽略)、電容器C(標稱電容值為470μF，擊穿電壓為10V)、電阻箱R、微安表G、單刀雙擲開關S和導線若干。完成下列實驗的相關內容：(1)按照圖甲的電路圖，把圖乙中的器材連接成完整的實驗電路。答案：見解析按照題圖甲的電路圖，連接實物圖如圖所示。(2)實驗步驟：步驟①：將開關S打到1，給電容器C充電，觀察微安表G的示數變化直到讀數穩(wěn)定；步驟②：先打開手機視頻錄制軟件，再將開關S打到2位置，觀察并用視頻記錄電容器C的放電過程中微安表G的示數變化情況；步驟③：斷開開關S，查閱視頻，記錄0～160s內，微安表G的讀數隨時間變化的數據；步驟④：在坐標紙上以時間t為橫軸，微安表G的讀數I為縱軸，描點作出I-t圖像，如圖丙所示。(3)分析圖丙可知：①電容器放電過程電流的變化規(guī)律為：放電電流逐漸______(選填“增大”“減小”或“不變”)，放電電流隨時間的變化率逐漸______(選填“增大”“減小”或“不變”)；減小減小由題圖丙可知，電容器放電過程電流的變化規(guī)律為：放電電流逐漸減小，放電電流隨時間的變化率逐漸減??；②丙圖中，圖像與橫軸所包圍的面積為86格，則可求得該電容器的電容值為________μF。(保留2位有效數字)4.5×102由電容定義C＝

μF≈4.5×102μF。(4)步驟①中，微安表G的讀數穩(wěn)定時，并不為0，始終保持在12μA，出現這種現象的原因是電容器________(選填“短路”或“漏電”)。漏電步驟①中，微安表G的讀數穩(wěn)定時，并不為0，始終保持在12μA，出現這種現象的原因是電容器漏電。類型二拓展創(chuàng)新實驗(2023·山東高考)電容儲能已經在電動汽車，風、光發(fā)電，脈沖電源等方面得到廣泛應用。某同學設計圖甲所示電路，探究不同電壓下電容器的充、放電過程，器材如下：電容器C(額定電壓10V，電容標識不清)；電源E(電動勢12V，內阻不計)；電阻箱R1(阻值0～99999.9Ω)；滑動變阻器R2(最大阻值20Ω，額定電流2A)；電壓表V(量程15V，內阻很大)；發(fā)光二極管D1、D2，開關S1、S2，電流傳感器，計算機，導線若干例3回答以下問題：(1)按照圖甲連接電路，閉合開關S1，若要升高電容器充電電壓，滑動變阻器滑片應向__端滑動(填“a”或“b”)。b題圖甲中滑動變阻器為分壓式接法，滑動變阻器滑片左邊部分與電容器并聯，要升高電容器兩端的電壓，滑動變阻器的滑片應向b端移動。(2)調節(jié)滑動變阻器滑片位置，電壓表表盤如圖乙所示，示數為____V。6.5電壓表量程為15V，分度值為0.5V，則電壓表的示數為6.5V。(3)繼續(xù)調節(jié)滑動變阻器滑片位置，電壓表示數為8.0V時，開關S2擲向1，得到電容器充電過程的I-t圖像，如圖丙所示。借鑒“用油膜法估測油酸分子的大小”實驗中估算油膜面積的方法，根據圖像可估算出充電結束后，電容器存儲的電荷量為____________C(結果保留2位有效數字)。3.9×10－3題圖丙中圖線與坐標軸所圍圖形的面積有39格，則Q＝39×＝3.9×10－3C。(4)本電路中所使用電容器的電容約為_________F(結果保留2位有效數字)。4.9×10－4由Q＝CU得C＝F≈4.9×10－4F。(5)電容器充電后，將開關S2擲向2，發(fā)光二極管_____(填“D1”或“D2”)閃光D1電容器充電后，左板電勢高，電容器放電時電流由左板經導線流出，故D1閃光。創(chuàng)新點評1．實驗目的創(chuàng)新：探究不同電壓下電容器的充、放電過程。2．實驗原理創(chuàng)新：(1)利用分壓式電路控制電容器的充電電壓；(2)利用了二極管的單向導電性。3．數據處理創(chuàng)新：(1)根據I-t圖像，通過數小方格的個數(多于半格的記為1，少于半格的舍去)計算充電結束后電容器存儲的電荷量。(2)由電容的定義式C＝

計算電容C。

在測定電容器電容值的實驗中將電容器、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據處理后記錄的“峰值”及曲線與時間軸所圍的“面積”。例4(1)根據圖甲所示的電路，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“增加”或“減小”)。相反減小由題圖甲、乙可知，充電和放電時R兩端的電勢相反，說明流過R的電流方向相反；電壓均隨時間減小，說明電流均隨時間減小。(2)該電容器的電容值為____________F(結果保留2位有效數字)。1.0×10－2根據歐姆定律I＝

，圖像的面積表示Ut，可知圖像面積與R的比值表示電荷量。故極板所帶最大電荷量Q＝C＝0.0609C，該電容器的電容值C＝

F≈1.0×10－2F。(3)某同學認為：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的說法是否正確__________________。答案：見解析該同學的說法正確。因為當開關S與2連接，電容器放電的過程中，電容器C與電阻R上的電壓大小相等，因此通過對放電曲線進行數據處理后記錄的“峰值Um”及曲線與時間軸所圍“面積S”，仍可應用C＝

計算電容值。創(chuàng)新點評1．實驗目的創(chuàng)新：測量電容器的電容。2．實驗器材創(chuàng)新：用電壓傳感器通過計算機直接描繪出電阻的電壓隨時間變化的u-t曲線。3．數據處理創(chuàng)新：利用u-t圖像中圖線與時間軸圍成的面積與R的比值表示電荷量，求得電容器的帶電量，從而求得電容C。

對點練．用高值電阻放電法測電容的實驗電路圖如圖甲所示。其原理是測出電容器在充電電壓為U時所帶的電荷量Q，從而求出其電容C。該實驗的操作步驟如下：(1)按電路圖接好實驗電路；(2)接通開關S，調節(jié)電阻箱R的阻值，使微安表的指針接近滿刻度。記下這時的電壓表讀數U0＝6.2V和微安表讀數I0＝490μA；(3)斷開開關S并同時開始計時，每隔5s或10s讀一次微安表的讀數i，將讀數記錄在預先設計的表格中；(4)以t為橫坐標，i為縱坐標，建立坐標系。若由實驗得到的數據，在圖乙中描出了12個點(用“×”表示)，可以估算出當電容器兩端電壓為U0時該電容器所帶的電荷量Q0約為_____________________________________C，從而算出該電容器的電容約為__________F(結果均保留2位有效數字)。8.0×10－3

(7.8×10－3～8.3×10－3均可)1.3×10－3返回用平滑曲線將各點連接，然后數此曲線與坐標軸圍成的格子數，超過半格的算一格，不足半格的舍棄。每格代表的電量為q＝50×10－6×5C＝2.5×10－4C數出的格子數為n＝32格，則Q0＝nq＝8.0×10－3C電容為C＝

≈1.3×10－3F。返回課時測評1．(15分)(2024·安徽蚌埠模擬)在“用傳感器觀察電容器的充放電過程”實驗中，按圖1所示連接電路。電源電動勢為6.0V，內阻可以忽略。單刀雙擲開關S先跟2相接，某時刻開關改接1，一段時間后，把開關再改接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。(1)開關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2所示。如果不改變電路其他參數，只減小電阻R的阻值，則此過程的I-t曲線與坐標軸所圍成的面積將_____(選填“減小”“不變”或“增大”)。放電不變開關S改接2后，電容器進行的是放電過程；因I-t圖像與坐標軸所圍成的面積等于電容器的帶電量，則如果不改變電路其他參數，只減小電阻R的阻值，此過程的I-t曲線與坐標軸所圍成的面積將不變。(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＝3.45×10－3C，則該電容器的電容為_____μF。575該電容器的電容為C＝

(3)關于電容器在整個充、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)?！獭屉娫唇o電容器充電時，剛開始電荷量的變化率較大，后來變化率減小，放電時，電荷量變化率剛開始比較大，后來變化率減小，故A錯誤，B正確；根據C＝

，且C不變可知，Q與U的變化情況相同，故C錯誤，D正確。故選BD。2．(15分)(2024·安徽安慶模擬)利用放電法可以測量電容器的電容，讓充電后的電容器通過大電阻R放電，電流傳感器A與計算機連接(未畫出)，記錄放電電流隨時間變化的圖像，可用系統(tǒng)軟件計算出電容器的帶電荷量Q，Q與充電電壓U的比值即為電容器的電容C。(1)實驗開始前先判斷電容器的好壞：使用多用電表的歐姆擋進行測量，把調零后的多用電表的紅、黑表筆分別接觸電容器的兩極板，觀察到多用電表指針先向右偏轉較大角度，后又逐漸返回到起始位置，此現象說明電容器是___(選填“好”或“壞”)的；好使用多用電表的歐姆擋進行測量，多用電表內有電源，先對電容器充電，有充電電流，會觀察到多用電表指針向右偏轉較大角度；隨著電容器逐漸充滿電，充電電流逐漸減小，最終電容器相當于斷路狀態(tài)，指針又逐漸返回到起始位置，此現象說明電容器是好的。(2)圖甲、圖乙為測量電容的兩種電路原理圖，學生電源應采用______(選填“直流”或“交流”)電源，先使開關S與1端相連，充電結束后，讀出電壓表的示數；然后把開關S與2端相連，測量出電容器的帶電荷量Q，為了減小誤差，在甲、乙兩圖中，應選____圖為測量電路。直流甲學生電源應采用直流電源，因為電容器可以通過交流電，其電壓不斷變化，沒法得出