第10章 第4节 第2课时 实验：观察电容器的充、放电现象（word教参）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理必修第三册（人教版2019）

第2课时 实验：观察电容器的充、放电现象 (实验课—基于经典科学探究) 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。 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。 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。　　 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。 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I­t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) [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I­t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 (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)I­t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