第3講　實(shí)驗(yàn)十　觀察電容器的充、放電現(xiàn)象　電容器的動(dòng)態(tài)分析

第3講實(shí)驗(yàn)十觀察電容器的充、放電現(xiàn)象電容器的動(dòng)態(tài)分析第八章靜電場(chǎng)1.了解電容器的充電、放電過程，會(huì)定量計(jì)算電容器充、放電的電荷量。2.掌握電容的定義式和平行板電容器的決定式，會(huì)分析電容器動(dòng)態(tài)變化問題。學(xué)習(xí)目標(biāo)夯實(shí)必備知識(shí)研透核心考點(diǎn)提升素養(yǎng)能力21單擊此處添加標(biāo)題單擊此處添加標(biāo)題目錄CONTENTS夯實(shí)必備知識(shí)異種1.中和10610122.觀察電容器的充、放電現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)操作注意事項(xiàng)

圖甲電容器充電

圖乙電容器放電如圖甲，電容器與電源相連，形成充電電流，隨著極板電荷量的增加，充電電流減小。如圖乙，電容器的正、負(fù)電荷中和，形成放電電流，隨著極板電荷量的減少，放電電流減小1.連電路，按原理圖連接器材。2.單刀雙擲開關(guān)S接1，觀察充電現(xiàn)象。3.單刀雙擲開關(guān)S接2，觀察放電現(xiàn)象。4.關(guān)閉電源，整理器材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(shí)驗(yàn)要在干燥的環(huán)境中進(jìn)行。4.在做放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，在電路中串聯(lián)一個(gè)電阻，避免燒壞電流表思考判斷1.電容器所帶的電荷量是指每個(gè)極板所帶電荷量的代數(shù)和。()2.電容器的電容與電容器所帶電荷量成反比。()3.放電后的電容器電荷量為零，電容也為零。()×××考點(diǎn)一實(shí)驗(yàn)十：觀察電容器的充、放電現(xiàn)象研透核心考點(diǎn)考點(diǎn)二平行板電容器的動(dòng)態(tài)分析考點(diǎn)一實(shí)驗(yàn)十：觀察電容器的充、放電現(xiàn)象角度電容器充、放電現(xiàn)象的定性分析B例1

(2022·北京卷，9)利用如圖1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)均勻減小至零圖1解析充電過程中，隨著電容器C兩極板電荷量的積累，電路中的電流逐漸減小，電容器充電結(jié)束后，電流表示數(shù)為零，A錯(cuò)誤；充電過程中，隨著電容器C兩極板電荷量的積累，電壓表測(cè)量電容器兩端的電壓，電容器兩端的電壓迅速增大，電容器充電結(jié)束后，最后趨于穩(wěn)定，B正確；電容器放電過程的I－t圖像如圖所示，可知電流表和電壓表的示數(shù)不是均勻減小至0的，C、D錯(cuò)誤。例2

(2023·山東卷，14)電容儲(chǔ)能已經(jīng)在電動(dòng)汽車，風(fēng)、光發(fā)電，脈沖電源等方面得到廣泛應(yīng)用。某同學(xué)設(shè)計(jì)圖2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(biāo)識(shí)不清)；電源E(電動(dòng)勢(shì)12V，內(nèi)阻不計(jì))；電阻箱R1(阻值0～99999.9Ω)；滑動(dòng)變阻器R2(最大阻值20Ω，額定電流2A)；電壓表V(量程15V，內(nèi)阻很大)；發(fā)光二極管D1、D2，開關(guān)S1、S2，電流傳感器，計(jì)算機(jī)，導(dǎo)線若干。角度電容器充、放電現(xiàn)象的定量計(jì)算回答以下問題：(1)按照?qǐng)D甲連接電路，閉合開關(guān)S1，若要升高電容器充電電壓，滑動(dòng)變阻器滑片應(yīng)向________端滑動(dòng)(選填“a”或“b”)。解析滑動(dòng)變阻器采用分壓式接法，要升高電容器充電電壓，滑動(dòng)變阻器滑片應(yīng)向b端滑動(dòng)。答案b

(2)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片位置，電壓表表盤如圖乙所示，示數(shù)為________V(保留1位小數(shù))。解析電壓表量程15V，每個(gè)小格0.5V，故讀數(shù)為6.5V。答案6.5

(3)繼續(xù)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片位置，電壓表示數(shù)為8.0V時(shí)，開關(guān)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(cè)油酸分子的大小”實(shí)驗(yàn)中估算油膜面積的方法，根據(jù)圖像可估算出充電結(jié)束后，電容器存儲(chǔ)的電荷量為____________C(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)。圖2解析I－t圖像所圍的面積等于電容器存儲(chǔ)的電荷量，37個(gè)小格，故電容器存儲(chǔ)的電荷量為Q＝37×0.2×10－3×0.5C＝3.7×10－3C。答案3.7×10－3

(4)本電路中所使用電容器的電容約為______F(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)。C＝4.6×10－4F。答案4.6×10－4

(5)電容器充電后，將開關(guān)S2擲向2，發(fā)光二極管________(選填“D1”或“D2”)閃光。解析開關(guān)S2擲向2，電容器放電，放電電流方向?yàn)閺淖笙蛴?，故D1閃光。答案D1在“用傳感器觀察電容器的充、放電過程”實(shí)驗(yàn)中，按圖3甲所示連接電路。電源電動(dòng)勢(shì)為6.0V，內(nèi)阻可以忽略。單刀雙擲開關(guān)S先跟2相接，某時(shí)刻開關(guān)改接1，一段時(shí)間后，把開關(guān)再改接2。實(shí)驗(yàn)中使用了電流傳感器來采集電流隨時(shí)間的變化情況。圖3(1)開關(guān)S改接2后，電容器進(jìn)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。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(shí)驗(yàn)中測(cè)得該電容器在整個(gè)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。(3)關(guān)于電容器在整個(gè)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(shì)差)。答案

(1)放電不變(2)575

(3)BD解析(1)開關(guān)S改接2后，電容器進(jìn)行的是放電過程；因I－t圖像與坐標(biāo)軸所圍成的面積等于電容器的帶電荷量，則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)軸所圍成的面積將不變。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(shì)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。考點(diǎn)二平行板電容器的動(dòng)態(tài)分析C例3

(2024·重慶市渝北中學(xué)高三?？?如圖4所示是一種可測(cè)量物體位移的電學(xué)儀器。當(dāng)被測(cè)物體在左右方向發(fā)生微小的位移時(shí)，會(huì)帶動(dòng)電介質(zhì)進(jìn)出電容器兩板之間，靈敏電流計(jì)的指針也會(huì)左右發(fā)生偏轉(zhuǎn)。已知電流從a到b流過電表時(shí)，電流計(jì)的指針向右偏，則下列說法正確的是(

)角度兩板間電勢(shì)差U保持不變A.當(dāng)電流計(jì)的指針向左偏時(shí)，被測(cè)物體向左移動(dòng)B.當(dāng)電流計(jì)的指針向左偏時(shí)，電容器的電壓增大C.當(dāng)電流計(jì)的指針向右偏時(shí)，電容器的電容增大D.當(dāng)電流計(jì)的指針向右偏時(shí)，電容器的電荷量減小圖4B例4

某學(xué)校氣象興趣小組的同學(xué)利用所學(xué)物理知識(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)電容式風(fēng)力傳感器。如圖5所示，將電容器與靜電計(jì)組成回路，可動(dòng)電極在風(fēng)力作用下向右移動(dòng)，引起電容的變化，風(fēng)力越大，移動(dòng)距離越大(兩電極不接觸)。若極板上電荷量保持不變，在受到風(fēng)力作用時(shí)，則(

)A.電容器電容變小B.極板間電場(chǎng)強(qiáng)度不變C.極板間電壓變大D.靜電計(jì)指針張角越小，風(fēng)力越小角度兩板間電荷量不變圖5思路點(diǎn)撥

動(dòng)態(tài)分析的思路D例5

(2024·安徽高三校聯(lián)考)某同學(xué)學(xué)習(xí)了電容器的充、放電等相關(guān)知識(shí)后，在老師的引導(dǎo)下，他為了探究電路中連接二極管的電容器充、放電問題，設(shè)計(jì)了如圖6所示的電路，平行板電容器與二極管(該二極管可看作理想二極管，正向電阻很小，反向電阻無窮大)、開關(guān)、直流電源串聯(lián)，電源負(fù)極接地。閉合開關(guān)，電路穩(wěn)定后，一不計(jì)重力的帶電油滴位于豎直平面電容器兩極板間的P點(diǎn)處，恰好處于靜止?fàn)顟B(tài)。保持開關(guān)閉合，下列說法正確的是(

)角度含二極管的動(dòng)態(tài)分析A.若上極板略微下移，帶電油滴仍保持靜止B.若下極板略微上移，則P點(diǎn)電勢(shì)保持不變C.若上極板略微左移與下極板平行錯(cuò)開，則帶電油滴仍保持靜止D.若下極板略微右移與上極板平行錯(cuò)開，則帶電油滴在P點(diǎn)的電勢(shì)能降低圖6提升素養(yǎng)能力A對(duì)點(diǎn)練1觀察電容器的充、放電現(xiàn)象1.在如圖1所示實(shí)驗(yàn)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(shí)，平行板電容器充電，且上極板帶正電B.開關(guān)接1時(shí)，平行板電容器充電，且上極板帶負(fù)電C.開關(guān)接2時(shí)，平行板電容器充電，且上極板帶正電D.開關(guān)接2時(shí)，平行板電容器充電，且上極板帶負(fù)電A級(jí)基礎(chǔ)對(duì)點(diǎn)練圖1解析開關(guān)接1時(shí)，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(cuò)誤；開關(guān)接2時(shí)，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(cuò)誤。BC2.(多選)電流傳感器反應(yīng)非常靈敏，與計(jì)算機(jī)相連接，能立即描繪出電流隨時(shí)間變化的圖像。如圖2甲所示，在觀察充電、放電現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)中，電源用直流8V，電容器的電容是幾十微法。先使開關(guān)S擲向1端，電源向電容器充電，這個(gè)過程瞬間完成。然后把開關(guān)S擲向2，電容器通過電阻R放電，電流傳感器將電流信息傳入計(jì)算機(jī)，屏幕上顯示出電流隨時(shí)間變化的I－t曲線如圖乙所示。下列說法正確的是(

)A.S接1時(shí)，電容器充電，帶電荷量Q增加，板間電壓U增大，板間場(chǎng)強(qiáng)E減小B.S接2時(shí)，電容器放電，帶電荷量Q減少，板間電壓U減小，板間場(chǎng)強(qiáng)E減小C.在I－t圖中圖線與橫軸所圍的面積表示電荷量D.根據(jù)以上數(shù)據(jù)和信息不能估算出電容的大小

圖2D3.(2024·浙江杭州模擬)心室纖顫是一種可危及生命的疾病。如圖3為一種叫作心臟除顫器的設(shè)備，某型號(hào)AED模擬治療儀器的電容器電容是25μF，充電至8kV電壓，如果電容器在2ms時(shí)間內(nèi)完成放電，則(

)A.電容器放電過程中平均功率為800kWB.電容器的擊穿電壓為8kVC.電容器放電過程中電容越來越小D.電容器放電過程中電流最大值一定大于100A圖3D對(duì)點(diǎn)練2平行板電容器的動(dòng)態(tài)分析4.(2024·廣東惠州高三開學(xué)考)如圖4所示，平行板電容器水平放置，電容器中一帶電油滴恰好靜止?，F(xiàn)將電容器下極板稍向下移動(dòng)，下列選項(xiàng)正確的是(

)A.油滴仍保持靜止

B.油滴向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)C.油滴向上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)

D.油滴向下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)圖4C5.(2024·廣東梅州模擬)圖示5為某電容傳聲器結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)人對(duì)著傳聲器講話，膜片會(huì)振動(dòng)。若某次膜片振動(dòng)時(shí)，膜片與極板距離減小，則在此過程中(

)A.膜片與極板間的電容減小B.極板所帶電量減小C.膜片與極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度增大D.電阻R中有向上的電流圖5D6.如圖6所示，一對(duì)面積較大的平行板電容器AB水平放置，A板帶正電荷，B板接地，P為兩板中點(diǎn)，再使A、B分別以中心點(diǎn)O、O′為軸在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)過一個(gè)相同的小角度θ，下列結(jié)論正確的是(

)A.電容器AB的電容不變B.兩板間電場(chǎng)強(qiáng)度變大C.兩板間的P點(diǎn)電勢(shì)增大D.兩板間的P點(diǎn)電勢(shì)降低圖6BC7.(多選)通過手機(jī)內(nèi)電容式加速度傳感器可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)步數(shù)的測(cè)量，傳感器原理如圖7所示，電容器的M極板固定，當(dāng)手機(jī)的加速度變化時(shí)，與彈簧相連的N極板只能按圖中標(biāo)識(shí)的“前后”方向運(yùn)動(dòng)，圖中R為定值電阻。下列對(duì)傳感器描述正確的是(

)A.靜止時(shí)，電流表示數(shù)為零，電容器M極板帶負(fù)電B.由靜止突然向前加速時(shí)，電容器的電容減小C.由靜止突然向前加速時(shí)，電流由b向a流過電流表D.保持向前勻減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，電阻R以恒定功率發(fā)熱圖7DB級(jí)綜合提升練8.某同學(xué)利用圖8甲所示電路觀察電容器的充電和放電現(xiàn)象，計(jì)算機(jī)屏幕顯示出放電過程的I－t圖像如圖乙所示。下列說法正確的是(

)A.電容器放電時(shí)電子由b向a通過電阻RB.電容器放電過程中電阻R兩端電壓逐漸增大C.將電阻R換成阻值更大的電阻，放電時(shí)間變短D.電容器充電結(jié)束所帶電荷量約為5×10－3C圖8解析開關(guān)S接1時(shí)電源給電容器充電后上極板帶正電，開關(guān)S接2時(shí)，電容器放電，電流由極板正極流過電阻R到負(fù)極板，而電子的移動(dòng)方向與電流方向相反，則電子由a向b通過電阻R，故A錯(cuò)誤；電容器放電過程中電流逐漸減小，根據(jù)歐姆定律可知電阻R兩端電壓逐漸減小，故B錯(cuò)誤；由q＝It可知，I－t圖像中曲線與橫軸圍成的面積即電容器充電結(jié)束時(shí)所帶電荷量，若R增大，總電荷量q不變，則對(duì)電流阻礙作用增大，即電流減小，故放電時(shí)間會(huì)變長，故C錯(cuò)誤；I－t圖像中格數(shù)割補(bǔ)后約為1.3格，則電荷量約為q≈2×10－3×2×1.3C≈5.2×10－3C，故D正確。B9.如圖9所示，平行板電容器與電動(dòng)勢(shì)為E的直流電源(不計(jì)內(nèi)阻)連接，下極板接地，開關(guān)S初始閉合，一帶電油滴位于電容器中的P點(diǎn)且恰好處于平衡狀態(tài)，下列說法正確的是(

)A.油滴帶正電荷B.將上極板向上移動(dòng)一小段距離，電容器的電容減小C.上極板向左平移一小段距離，油滴向上運(yùn)動(dòng)D.斷開開關(guān)S，將上極板向下平移一小段距離，P點(diǎn)電勢(shì)升高圖9AA.材料溫度升高，極板所帶電荷量增大B.滑動(dòng)變阻器滑片向下滑動(dòng)少許可以提高檢測(cè)儀的工作電壓C.檢測(cè)到靈敏電流計(jì)的電流方向?yàn)閺腶到b，說明材料溫度降低D.檢測(cè)結(jié)束，斷開開關(guān)，靈敏電流計(jì)上有從a到b的短暫電流圖1011.(2023·新課標(biāo)卷，22)在“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)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(cè)電池的電壓。檢測(cè)時(shí)，紅表筆應(yīng)該與電池的