第5节 第1课时 观察电容器的充、放电现象（课件PPT）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理必修第三册（鲁科版）

科学探究：电容器 第5节 第1课时 观察电容器的充、放电现象 (实验课—基于经典科学探究) 01 03 目 录 实验操作——过程、细节和反思 实验考法——基础、变通和创新 02 实验准备——原理、器材和装置 04 训练评价——巩固、迁移和发展 2 01 实验准备——原理、器材和装置 一、实验装置 二、实验原理 实验电路如图所示。当开关拨到位置“1”时，电源E对电容器充电；当开关拨到位置“2”时，电容器放电。利用电流计和电压表观察电容器在充电和放电过程中，通过电路的电流大小和方向的变化，以及电容器两极板间电压的变化，进而判断电容器两极板储存电荷量的变化。 02 实验操作——过程、细节和反思 一、实验步骤　 1．连接电路：根据实验电路图连接电路。 2．观察充电过程：将单刀双掷开关拨到位置“1”，观察电容器在充电过程中，电流计和电压表的指针偏转情况。 3．观察放电过程：将单刀双掷开关拨到位置“2”，观察电容器在放电过程中，电流计和电压表的指针偏转情况。 4．记录好实验结果，关闭电源。 单刀双掷开关 的位置 电流计指针 偏转情况 电压表指针 偏转情况 位置“1”     位置“2”     二、数据处理　 1．记录电流计和电压表的指针偏转情况，填在下面表格中。 2．实验结论 电容器充电时，电容器两端电压增大，电荷量增加；电容器放电时，电容器两端电压减小，电荷量减小。充、放电结束后，电路中无电流。 三、注意事项　 1．要选用小量程的灵敏电流计。 2．要选择大容量的电容器。 3．实验要在干燥的环境中进行。 4．在做放电实验时，在电路中串联一个电阻，以免烧坏电流计。   [关键点反思] 1.电容器充电时，两极板上的电荷量如何变化？ 提示：充电时，两极板上的电荷量增加。 2.电容器放电时，能量如何转化？   提示：放电时，电容器两极板间的电场能转化为其他形式的能量。 3．如图所示，为一个电容器放电时的I-t图像，请思考图线与t轴所围“面积”有什么物理意义？ 提示：表示电容器放电过程中释放的电荷量。 03 实验考法——基础、变能和创新 考法(一)　实验基本操作  [例1]　如图所示的实验电路，可研究电容器的充、放电。先使开关S与“1”端相连，电源给电容器充电，然后把开关S掷向“2”端，电容器通过电阻R放电。 (1)电容器在充电的过程中，电容器的带电荷量________； A．不变　　　 B．变大　　　　 C．变小 (2)电容器在放电的过程中，电容器的电容______； A．不变　　　 B．变大　　　　 C．变小 (3)使开关S与“1”端相连，对电路中的电容器充电，充电后，该电容器________(选填“上”或“下”)极板带正电荷。若电容器的两个极板分别带上了电荷量均为Q的等量异号电荷，此时电容器所带的电荷量为________。 [解析]　(1)在电源向电容器充电的过程中，电容器的带电荷量变大，故B正确，A、C错误。 (2)电容器的电容由其本身的特性决定，电容器在放电的过程中，其电容不变，故A正确，B、C错误。 (3)充完电后电容器上极板与电源的正极相连，则电容器上极板带正电；电容器电荷量是单极板所带电荷量的绝对值，故电荷量为Q。 [答案]　(1)B　(2)A　(3)上　Q 考法(二)　数据处理和实验结论 [例2]　(2023·福建漳平检测)电容器是一种重要的电学元件，在电工、电子技术中应用广泛。使用图甲所示电路观察电容器的充、放电过程。电路中的电流传感器可以捕捉瞬时的电流变化，它与计算机相连，可显示电流随时间变化的关系图像。图甲中直流电源提供的电压为U＝8 V，充电前电容器带电量为零。先使S与“1”相连，电源向电容器充电。充电结束后，使S与“2”端相连，直至放电完毕。计算机记录的电流随时间变化的I-t曲线如图乙所示。 (1)在电容器充电与放电过程中，通过电阻R0的电流方向______(选填“相同”或“相反”)； (2)图像阴影为I-t曲线与对应时间轴所围成的面积，乙图中阴影部分的面积S1______S2(选填“>”“<”或“＝”)； (3)已知S1＝1 233 mA·s，则该电容器的电容值为______ F(保留两位有效数字)； (4)由甲、乙两图可判断阻值R1______R2(选填“>”或“<”)。 [解析]　(1)由题图甲可知，电容器充电时通过电阻R0的电流方向向左，放电时通过R0的电流方向向右，故在电容器充电与放电过程中，通过电阻R0的电流方向相反。 (2)I-t曲线与对应时间轴所围成的面积表示电荷量，充电和放电过程电荷量相等，所以题图乙中阴影部分的面积S1＝S2。 [答案]　(1)相反　(2)＝　(3)0.15　(4)< (1)S先接“1”后接“2”，说明电容器先充电后放电。 (2)电容器的电容与电荷量的多少无关。 (3)I-t图像与时间轴所围成的面积表示充、放电的电荷量。 (4)充电时间足够长，电容器极板间的电压最大为电源电压。　　 04 训练评价——巩固、迁移和发展 1．(多选)关于电容器的充、放电，下列说法中正确的是(　 ) A．充、放电过程中外电路有瞬间电流 B．充、放电过程中外电路有恒定电流 C．充电过程中电源提供的电能全部转化为内能 D．放电过程中电容器中的电场能逐渐减少 答案:AD 解析：电容器充、放电过程中会有电荷发生定向移动，电路产生变化的瞬间电流，电容器充、放电结束，电流消失，A正确，B错误；充电过程中电源提供的电能部分转化为电容器的电场能，C错误；放电过程中电容器中的电场能转化为其他形式的能，D正确。 2．(2023·福州期中)如图所示是观察电容器 的充、放电现象的实验电路。E为电源，S为单刀 双掷开关，G为灵敏电流计，C为平行板电容器， R为电阻箱。 (1)当开关S接________(选填“1”或“2”)时，平行板电容器充电； (2)电容器充电完毕，断开开关，此时电路图中电容器上极板________(填“带正电”“带负电”或“不带电”)； (3)然后将开关S接2时，电容器放电，此过程中，电路中的电流________(选填“增大”“减小”或“不变”)，流经G表的电流方向为________(填“向左”或“向右”)，电容器两极板间的场强________(选填“增大”“减小”或“不变”)。 解析：(1)当开关S接1时，电容器与电源构成闭合回路，平行板电容器充电。 (2)电容器上极板与电源正极连接，电容器上极板带正电。 (3)将开关S接2时，电容器放电，此过程中，电容器带电量逐渐减少，电容器两端电压逐渐减小，电路中的电流减小。 电容器上极板带正电，流经G表的电流方向为向左。 电容器带电量逐渐减少，电容器两端电压逐渐减小，电容器两极板间的场强减小。 答案：(1)1　(2)带正电　(3)减小　向左　减小 (1)当开关S接________时(选填“1”或“2”)，平行板电容器充电，在充电开始时电路中的电流比较________(选填“大”或“小”)。电容器放电时，流经G表的电流方向与充电时________(选填“相同”或“相反”)。 (2)将G表换成电流传感器(可显示电流I的大小)，电容器充电完毕后，将开关S扳到2，让电容器再放电，其放电电流I随时间t变化的图像如图乙所示，已知图线与横轴所围的面积约为41个方格，则电容器释放的电荷量Q＝________ C，可算出电容器的电容C＝________F。 解析：(1)电容器与电源相连时充电，所以当开关S接1时平行板电容器充电，由于极板上无电荷，在充电开始时电路中的电流比较大。电容器充电时电源正极接电容器上极板，放电时正电荷从上极板流出，所以电容器放电时，流经G表的电流方向与充电时相反。 (2)根据Q＝It可知，放电电流随时间变化曲线与横轴所围区域的面积即为通过的电荷量，所以电容器释放的电荷量为Q＝41×0.2×10－3×0.4 C ＝3.28×10－3 C 答案：(1)1　大　相反　(2)3.28×10－3 4．1×10－4 4．小陈同学用如图甲所示的电路做“观察电容器的充、放电现象”实验。 (1)接好电路，学生电源电压调节选“10 V”，然后给电容器充分充电，再观察电容器的放电，得到电容器放电电流I随时间t的变化曲线如图乙，根据该图，可知他所选用的电容器最可能是下列的______(选填序号“A”“B”或“C”)。 (2)如果不改变电路其他参数，只减小电阻R，充电时I-t曲线与横轴所围成的面积将________(填“增大”“不变”或“变小”)，充电时间将________(填“变长”“不变”或“变短”)。 由上述式子可知，电容器储存的电荷量Q与电阻R无关，如果不改变电路的其他参数，只减小电阻R，充电时其I-t曲线与横轴围成的面积将不变。 如果不改变电路其他参数，只减小电阻R，由于电阻对于电流的阻碍作用减小，充电电流增大，所以充电时间将变短。 答案：(1)B　(2)不变　变短 (3)电源提供的电压为8 V，则该电容器的电容值为C＝＝＝≈0.15 F。 (4)由题图乙可知，充电时的最大电流大于放电时的最大电流，根据欧姆定律，则可知R1<R2。 3．如图甲所示是观察电容器的充、放电现象实验装置的电路图。电源输出电压恒为8 V，S是单刀双掷开关，G为灵敏电流计，C为平行板电容器。 电容器的电容为C＝＝ F＝4.1×10－4 F。 解析：(1)根据题图乙的图像的物理意义可以推知，其图像与坐标轴围成的面积为电荷量，由图像可知，其围成面积大概是四个长方形的面积，即电荷量约为Q＝4×0.004×2 C＝3.2×10－2 C，则该电容器的电容为C＝＝3.2×10－3 F＝3 200 μF，故最可能是B。 (2)由电容的公式有C＝，整理得Q＝CU $$