第4节 第2课时 实验：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（人教版）

实验：观察电容器的 充、放电现象 第2课时 (实验课—基于经典科学探究) 01 04 目 录 实验操作——过程、细节和反思 训练评价——巩固、迁移和发展 02 实验准备——原理、器材和装置 03 实验考法——基础、变通和创新 2 01 实验准备——原理、器材和装置 一、实验装置 把直流电源、电阻、电容器、电流表、数字电压表以及单刀双掷开关组装成实验电路(如图所示)。 二、实验原理 1．电容器的充电过程 当开关S接1时，电容器接通电源，在静电力的作用下自由电子从正极板经过电源向负极板移动，正极板因失去电子而带正电，负极板因获得电子而带负电。正、负极板带等量的正、负电荷。电荷在移动的过程中形成电流，在充电开始时电流比较大，以后随着极板上电荷的增多，电流逐渐减小，当电容器两极板间电压等于电源电压时电荷停止定向移动，电流I＝0。 2．电容器的放电过程 当开关S接2时，电容器通过电阻R放电，放电电流由电容器的正极板经过电阻R流向电容器的负极板，电容器正、负极板上电荷发生中和。放电开始时电流较大，随着两极板上的电荷量逐渐减小，电路中的电流逐渐减小，两极板间的电压也逐渐减小到零。 02 实验操作——过程、细节和反思 一、实验步骤　 1．按实验原理图连接好实验电路。 2．把单刀双掷开关S接1，观察电容器的充电现象，并将结果记录在表格中。 3．将单刀双掷开关S接2，观察电容器的放电现象，并将结果记录在表格中。 4．记录好实验结果，关闭电源。 二、实验记录和分析　 记录电流表和电压表的示数变化情况，填在下面表格中。 单刀双掷开关 的位置 电流表示数 变化情况 电压表示数 变化情况 位置“1”     位置“2”     三、注意事项　 1．电流表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(小灯泡)，以免烧坏电流表。 四、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。 [关键点反思] 1．把电容器的两个极板与电源的正负极相连，给电容器充电后，哪个极板带正电？ 提示：跟电源正极相连的极板带正电，跟电源负极相连的极板带负电。 2．电容器放电时电流的流向是怎样的？ 提示：电容器放电时电流从正极板流向负极板。 03 实验考法——基础、变通和创新 考法(一)　实验基本操作 [例1]　(2023·江苏如皋期末检测)“观察电容器 的充、放电现象”的实验电路图如图所示，接通开 关S，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]　题图为电容器充电过程，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]　上　Q 在电容器充电过程中，与电源正极相连的极板带正电，与电源负极相连的极板带负电。电容器带的电荷量是一个极板所带电荷量的绝对值。　　 先使开关S与1接通，待充电完成后，再把开关S与2接通，电容器通过电阻放电，电流传感器将电流信息传入计算机，显示出电流随时间变化的I-t图像如图乙所示。已知图线与时间轴围成的面积表示电荷量，根据图像估算出电容器整个放电过程中释放的电荷量为________C，该电容器电容为_________ μF。(结果均保留三位有效数字) (1)S先接“1”后接“2”，说明电容器先充电后放电。 (2)电容器的电容与充电电荷量的多少无关。 (3)I-t图像与横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。　　 考法(三)　源于经典实验的创新考查 [例3]　电路中电流大小可以用电流传感器测量，用电流传感器和计算机可以方便地测出电路中电流随时间变化的曲线。某兴趣小组要测定一个电容器的电容，选用器材如下： 待测电容器(额定电压为16 V)； 电流传感器和计算机； 直流稳压电源； 定值电阻R0＝100 Ω； 单刀双掷开关； 导线若干。 实验过程如下： ①按照图甲正确连接电路； ②将开关S与1端连接，电源向电容器充电； ③将开关S掷向2端，测得电流随时间变化的I-t图线如图乙中的实线a所示； ④利用计算机软件测出I-t曲线和两坐标轴所围的面积。 请回答下列问题： (1)已知测出的I-t曲线和两坐标轴所围的面积为42.3 mA·s，则电容器的电容C＝_______ F； (2)若将定值电阻换为R1＝180 Ω，重复上述实验步骤，则电流随时间变化的I-t图线应该是图丙中的曲线________(选填“b”或“c”)。 (1)本题通过用电流传感器与计算机相连代替电流表，能显示出电流随时间变化的I-t图像。 (2)改变接入的定值电阻的大小，考查放电时不同的电流随时间变化图像。　　 04 训练评价——巩固、迁移和发展 1. (2023·湖北武汉期末)某同学用如图所示电路研究电容器。先将单刀双掷开关S与1相接，过一会儿后，再将开关与2相接。下列说法正确的是(　 ) A．在开关与1相接时，无电流通过电流表 B．在开关与2相接时，有电流通过电流表 C．在开关与1相接时，电流表一直有稳定的示数 D．在开关与2相接时，无电流通过电流表 答案：B　 解析：在开关与1相接时，电容器充电，则有电流通过电流表，A错误；在开关与2相接时，电容器放电，则有电流通过电流表，B正确，D错误；在开关与1相接时，电容器充电电流逐渐减小，则电流表的示数逐渐减小，C错误。 2．如图甲所示是一种测量电容的实验电路图，实验是通过对高阻值电阻放电的方法，测出电容器充电至电压为U时所带的电荷量Q，从而再求出待测电容器的电容C。某同学在一次实验时的情况如下： a．按图甲所示的电路图连接好实验器材； b．接通开关S，调节电阻箱R的阻值，使小量程电流表的指针偏转接近满刻度，记下此时电流表的示数I0＝490 μA，电压表的示数U0＝8.0 V，I0、U0分别是电容器放电时的初始电流和电压； c．断开开关S，同时开始计时，每隔5 s或10 s测读一次电流i的值，将测得数据填入表格，并标示在图乙的坐标纸上(时间t为横坐标，电流i为纵坐标)，结果如图乙中小黑点所示； (1)在图乙中画出i-t图线。 (2)图乙中图线与坐标轴所围成面积的物理意义是__________________。 (3)该电容器的电容为________F(结果保留两位有效数字)。 解析：(1)用图像法处理数据是实验中常用的一种方法，在画图的过程中要用光滑曲线连接各点(相差较大的点可舍去)，如图所示。 (2)由ΔQ＝Δi·Δt知，i-t图线与时间轴所围的面积表示电荷量，而从实验图线可看出，此电容器放电完毕，说明此电荷量就等于在开始时电容器所带的电荷量，所以图中图线与坐标轴所围成面积的物理意义是电容器充电到电压为U0时所带的电荷量。 3．在“用传感器观察电容器的充电和放电”实验中，电路图如图甲所示。一位同学使用的电源电压为10.0 V，测得放电的I-t图像如图乙所示。 (1)若按“大于半格算一个，小于半格舍去”法，根据“I-t 图线与两坐标轴所围面积”，电容器在全部放电过程中释放的电荷量约为______C。(结果保留两位有效数字) (2)根据以上数据估算电容器的电容值为________F。(结果保留两位有效数字) (3)如果将电阻R换一个阻值更大的电阻，则放电过程释放的电荷量________(选填“变多”“不变”或“变少”)。 解析：(1)电容器的放电图像是一条逐渐下降的曲线，而q＝It，I-t图像与坐标轴围成的面积就是总的电荷量，图像与坐标轴所围面积的格数约有42格，电容器在全部放电过程中释放的电荷量为Q＝42×0.001×0.4 C≈0.017 C。 4．(2023·福建福州检测)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与计算机相连，可以显示电路中电流随时间的变化。图甲中电源电压为8 V，实验前电容器不带电。先使S与“1”端相连给电容器充电，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)图像阴影为i-t图像与对应时间轴所围成的面积，表示的物理意义是__________________； (2)乙图中阴影部分的面积S1________S2；(选填“>”“<”或“＝”) (3)计算机测得S1＝1 203 mA·s，则该电容器的电容为__________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“＝”) 考法(二)　数据处理和误差分析 [例2]　电流传感器可以像电流表一样测量电流，不同的是反应比较灵敏，且可以和计算机相连，能画出电流随时间的变化图像。图甲是用电流传感器观察电容器充、放电过程的实验电路图，图中电源电压为6 V。 [解析]　根据横轴与纵轴的数据可知，一个格子的电荷量为Q0＝I0t0＝0.2×10－3×0.4 C＝8×10－5 C，根据大于半格算一个，小于半格舍去，因此I-t图线与时间轴围成的图形所包含的格子个数为38，所以电容器整个放电过程中释放的电荷量为Q＝8×10－5×38 C＝3.04×10－3 C。根据电容器的电容C＝可知，C＝ F≈5.07×10－4 F＝507 μF。 [答案]　3.04×10－3　507 [解析]　(1)由I-t图像得到开始时电流为I＝90 mA＝0.09 A 故最大电压为U＝IR0＝0.09 A×100 Ω＝9 V 故电容为C＝＝＝4.7×10－3 F。 (2)换用阻值为180 Ω的定值电阻，根据Im＝，则第2次实验的最大电流小些，且与两坐标轴围成的面积不变，故是曲线c。 [答案]　(1)4.7×10－3　(2)c (3)图线与坐标轴所围面积的格数约为32格，电容器的带电量约为Q＝32×50×10－6×5 C＝8×10－3 C，该电容器的电容C＝＝ F＝1.0×10－3 F。 答案：(1)见解析图　(2)电容器充电到电压为U0时所带的电荷量　(3)1.0×10－3 (2)电容器充满电后所带的电荷量Q＝0.017 C，而所加电压U＝E＝10 V，所以C＝＝0.001 7 F。 (3)若将电阻换一个阻值较大的电阻，但由于电容器电荷量一定，则所有电荷量将通过电阻R释放，只是图像更加平缓些，但总量不变。 答案：(1)0.017(0.016～0.018均可)　(2)0.001 7(0.001 6～0.001 8均可)　(3)不变 解析：(1)根据q＝it可知i-t图像与对应时间轴所围成的面积表示的物理意义是电容器带的电荷量。 (2)S1表示电容器充电后所带电荷量，S2表示电容器放电的电荷量，所以S1＝S2。 (3)该电容器的电容为C＝＝≈0.15 F。 (4)由题图乙可知电容器充电瞬间电流比电容器放电瞬间电流大， 且电容器充电瞬间电源电压和放电瞬间电容器两端电压相等，则有> 所以R1<R2。 答案：(1)电容器带的电荷量　(2)＝　(3)0.15　(4)＜ $$