实验针对训练10 观察电容器的充电、放电现象(Word练习)-【名师导航】2024年高考物理一轮总复习(新教材新高考)广东专版

实验针对训练(十) 1．电容器作为储能器件，在生产生活中有广泛的应用。对给定电容值为C的电容器充电，无论采用何种充电方式，其两极间的电势差u随电荷量q的变化图像都相同。 (1)请在图1中画出上述u­q图像。类比直线运动中由v­t图像求位移的方法，求两极间电压为U时电容器所储存的电能Ep。 (2)在如图2所示的充电电路中，R表示电阻，E表示电源(忽略内阻)。通过改变电路中元件的参数对同一电容器进行两次充电，对应的q­t曲线如图3中①②所示。 a．①②两条曲线不同是________(选填“E”或“R”)的改变造成的； b．电容器有时需要快速充电，有时需要均匀充电。依据a中的结论，说明实现这两种充电方式的途径。 图1　　　　　　图2　　　　　　图3 (3)设想使用理想的“恒流源”替换(2)中电源对电容器充电，可实现电容器电荷量随时间均匀增加。请思考使用“恒流源”和(2)中电源对电容器的充电过程，填写下表(选填“增大”“减小”或“不变”)。 “恒流源” (2)中电源 电源两端电压 通过电源的电流 [解析]　(1)u­q图像如图所示。 电压为U时，电容器带电荷量为Q，图线和横轴围成的面积表示所储存的电能Ep Ep＝QU， 又Q＝CU，故Ep＝CU2。 (2)a．由图像知，电容器充完电后，①②两次电荷量相等，由Q＝CU＝CE知，两次电源电动势相等。故①②两条曲线不同不是E的改变造成的，只能是R的改变造成的。 b．刚开始充电瞬间，电容器两端的电压为零，电路的瞬时电流为I＝，故减小电阻R，刚开始充电瞬间电流I大，曲线上该点切线斜率大，即为曲线①。这样能在较短时间内使电荷量达到最大，故可以实现对电容器快速充电。增大电阻R，刚开始充电瞬间电流I小，即为曲线②，该曲线接近线性，可以实现均匀充电。 (3)接(2)中电源时，由于忽略电源E的内阻，故电源两端电压不变。通过电源的电流I＝，随着电容器两端电压U不断变大，通过电源的电流减小；“恒流源”是指电源输出的电流恒定不变。接“恒流源”时，随着电容器两端电压的增大，“恒流源”两端电压增大。 [答案]　(1)见解析图　CU2 (2)a．R　b．减小电阻R，可以实现对电容器更快速充电；增大电阻R，可以实现更均匀充电。 (3) “恒流源” (2)中电源 电源两端电压 增大 不变 通过电源的电流 不变 减小 2．用下列器材测量电容器的电容：一个多用电表、一台直流稳压电源，一个待测电容器(额定电压16 V)，定值电阻R1＝100 Ω，定值电阻R2＝150 Ω，电流传感器、数据采集器和计算机，单刀双掷开关S，导线若干。实验过程如下： 实验1：①将电阻R1等器材按照图甲正确连接电路，将开关S与1端连接，电源向电容器充电；②将开关S掷向2端，测得电流随时间变化的i­t曲线如图乙所示。 实验2：用电阻R2替换R1，重复上述实验步骤①②，测得电流随时间变化的i­t曲线如图丙中的某条虚线所示。 说明：两次实验中电源输出的直流电压恒定且相同。 甲 乙　　　　　　　　　　　丙 请完成下列问题： (1)第1次实验中，电阻R1两端的最大电压U＝________ V。利用计算机软件测得i­t曲线和两坐标轴所围的面积为90 mA·s，已知电容器放电时其内阻可以忽略不计，则电容器的电容为C＝________ F。 (2)第2次实验中，电流随时间变化的i­t曲线应该是图丙中的虚线________(选填“b”“c”或“d”)，判断依据是__________________________ ____________________________________________________________________ _________________________________________________________________。 [解析]　(1)由题图知，最大电流为Im＝90 mA＝0.09 A，因此最大电压为Um＝ImR1＝9 V；曲线下围的面积表示电容器的带电荷量Q＝90 mA·s，根据电容器的定义式可得C＝＝1×10－2 F。 (2)根据im＝，因第2次实验的最大放电电流小些，而曲线下围的面积相等，故电流随时间变化的曲线应该是虚线c。 [答案]　(1)9　1×10－2　(2)c　两次放电电荷量相等，图形与t轴围成的面积相等，另外由于R2>R1，开关掷向2瞬间放电电流较小 3．某同学利用图(a)所示电路测量电容器充电时两极板间的电压随时间的变化。实验中使用的器材为：电源E(内阻很小)、开关S1和S2、电容器C(约100 μF)、电阻R1(约200 kΩ)、电阻R2(1 kΩ)、电压表V(量程6 V)、秒表、导线若干。 (a) (b)　　　　　　　　　　　　(c)