2023年高考山东卷中涉及电容器的物理试题赏析-《中学生数理化》高考理化2023年11月刊

■山东省滨州市第一中学 成树明 电容器是电气设备中的一个重要元件, 也是电磁学的重要研究对象。历年高考常从 电容器的构造原理、平行板电容器电容的决 定因素、电容器的动态分析、电容器在电路中 带电状态的分析、带电粒子在平行板电容器 中的运动等角度命题。2023年高考山东卷 中涉及电容器的两道物理试题独辟蹊径,其 中第14题结合二极管考查了电容器充、放电 实验,第15题以电磁炮灭火消防车为背景考 查了电容器中的能量问题。 一、电容器与二极管必备知识 1.电容的定义:电容是用比值C= Q U 定 义的一个物理量,表示电容器容纳电荷的特 性,对任何电容器都适用。对于一个确定的 电容器,其电容也是确定的,与电容器是否带 电、带电荷量的多少、板间电势差的大小等均 无关。 2.平行板电容器的电容:平行板电容器 的电容由两极板正对面积、两极板间距离、电 介质的相对介电常数决定,满足关系式C= εrS 4πkd 。 3.电容器的动态分析:弄清哪些是变量, 哪些是不变量;抓住三个公式 C= Q U ,C= εrS 4πkd 和E= U d ;分析清楚两种情况,即若电 容器充电后断开电源,则其所带电荷量Q 保 持不变,若电容器始终与电源相连,则其两极 板间的电压U 保持不变。 4.二极管:晶体二极管(简称二极管)是 一种半导体元件,当它的正极接高电势,即加 正向电压时,电阻很小,处于导通状态,相当 于一个接通的开关;当它加反向电压时,电阻 非常大,处于截止状态,相当于一个断开的开 关。高中阶段一般将其视为理想二极管,理 想二极管具有单向导电性,即正向电阻可看 成零,反向电阻可看成无穷大。 二、高考真题赏析 例 1 (第14题) 电容储能已经在电 动汽车,风、光发电,脉冲电源等方向得到广 泛应用。某同学设计如图1所示的电路,探 究不同电压下电容器的充、放电过程,器材如 下:电容器C(额定电压为10 V,电容标识不 清);电源E(电动势为12 V,内阻不计);电 阻箱R1(阻值为0~99 999.9 Ω);滑动变阻 器R2(最大阻值为20 Ω,额定电流为2 A); 电压表V(量程为0~15 V,内阻很大);发光 二极管D1、D2,开关S1、S2,电流传感器,计算 机,导线若干。 图1 回答以下问题: (1)按照图1连接电路,闭合开关S1,若 要升高电容器充电电压,滑动变阻器滑片应 向 (填“a”或“b”)端滑动。 图2 (2)调节滑动变阻器 滑片位置,电压表表盘如 图 2 所 示,其 示 数 为 V(保留1位小数)。 (3)继续调节滑动变 阻器滑片位置,电压表示数为8.0 V时,将开 关S2 掷向1,得到电容器充电过程的I-t图 像如图3所示。借鉴“用油膜法估测油酸分 子的大小”实验中估算油膜面积的方法,根据 图像可估算出充电结束后,电容器存储的电 6 知识篇 高考真题之赏析 高考理化 2023年11月 图3 荷量为 C(结果保留2 位有效数字)。 (4)本电路中所使用 电容器的电容约为 F (结 果 保 留 2 位 有 效 数 字)。 (5)电容器充电后,将开关S2 掷向2,发 光二极管 (填“D1”或“D2”)闪光。 解析:(1)滑动变阻器采用分压式接法, 滑片向b端滑动,电容器充电电压升高。 (2)电压表量程为0~15 V,每个小格表 示0.5 V,故电压表示数为6.5 V。 (3)I-t图像与坐标轴所围图形的面积等 于电容器存储的电荷量,图示共有45个小 格,故电容器存储的电荷量 Q=45×8× 10-5 C=3.6×10-3 C。 (4)根据电容的定义式C= Q U ,解得C= 4.5×10-4 F。 (5)开关S2 掷向2,电容器相当于电源放 电,左极板相当于电源正极,故二极管D1 闪 光。 答案:(1)b (2)6.5 (3)3.6×10-3(填 3.4×10-3~3.8×10-3 均可) (4)4.5× 10-4(填4.3×10-4~4.7×10-4 均可) (5)D1 赏析:本题是标准的学生分组实验,但试 题的设计具有一定的综合性和创新性,要求 考生正确连接电路,会用电压表测量并读数, 知道电容器充电电流随时间变化曲线与坐标 轴所围图形面积的物理意义为充电电荷量, 并能求出其值,进而求出电容器的电容;在新 情境中利用二极管的单向导电性完成判断。 本题的突出亮点是考查了方法的迁移,即根 据x=vt和q=It,从v-t图像与坐标轴所围 图形的面积表示位移大小迁移到I-t图像与 坐标轴所围图形的面积表示电荷量的数值; 将“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中估 算油膜面积的方法迁移到本实验中通过面积 估算电容器存储的电荷