第十章 4 第2课时 实验：观察电容器的充、放电现象（课件）-【勤径学升·同步练测】2024-2025学年高中物理必修第三册（人教版2019）

第十章　静电场中的能量 4．电容器的电容 第2课时　实验：观察电容器的充、放电现象 第十章　静电场中的能量 学习目标 1．了解电容器的构造。 2．根据电路图正确连接实物图，认真观察电容器充放电的实验现象。 第十章　静电场中的能量 一、实验原理 1．电容器的充电过程 如图所示，当开关S接1时，电容器接通电源，在电场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_______电子而带_____电，负极板因_______电子而带_____电，正、负极板带_______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_____，以 后随着极板上电荷的增多，电流逐渐_______，当电容器两极 板间电压等于电源电压时电荷停止移动，电流I＝0。 自主学习探新知 失去　 正　 获得　 负　 等量　 大　 减小　 第十章　静电场中的能量 2．电容器的放电过程 如图所示，当开关S接2时，将电容器的两极板直接用导线连接起来，电容器正、负极板上电荷发生_______。在电子移动过程中，形成电流，放电开始电流较_____，随着两极板上的电荷量逐渐减小，电路中的电流逐渐_______，两极板间的电压也逐渐减小到零。 二、实验器材 6 V的直流电源、单刀双掷开关、平行板电容器、 _________、_________、小灯泡。 中和　 大　 减小　 电流表　 电压表　 第十章　静电场中的能量 三、进行实验 1．调节直流可调电源，输出为6 V，并用多用电表校准。 2．关闭电源开关，正确连接实物图，电路图如图。 3．打开电源，把开关S打到上面，使触点1和触点2连 通，观察电容器的充电现象，并将结果记录在数据处 理的表格中。 4．把开关S打到下面，使触点3和触点2连通，观察电容器的放电现象，并将结果记录在数据处理的表格中。 5．记录好实验结果，关闭电源。 第十章　静电场中的能量 四、实验记录和分析 实验项目 实验现象 电容器 充电 灯泡 灯泡的亮度由_____到_____最后_______ 电流表1 电流表1的读数由_____到_____最后为_____ 电压表 电压表的读数由_____到_____最后为______ 电容器 放电 灯泡 灯泡的亮度由_____到_____最后_______ 电流表2 电流表2的读数由_____到_____最后为_____ 电压表 电压表的读数由_____到_____最后为______ 明　 暗　 熄灭　 大　 小　 零　 小　 大　 6 V　 明　 暗　 熄灭　 大　 小　 零　 大　 小　 0 V　 第十章　静电场中的能量 五、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，以免烧坏电流表。 第十章　静电场中的能量 [例1]　如图所示的实验中，关于平行板电容器的充、放电，下列说法正确的是 (　　) A．开关接1时，平行板电容器充电，且上极板带正电 B．开关接1时，平行板电容器充电，且上极板带负电 C．开关接2时，平行板电容器充电，且上极板带正电 D．开关接2时，平行板电容器充电，且上极板带负电 互动探究解疑难 一　电容器充、放电现象的定性分 析 第十章　静电场中的能量 [解析]　开关接1时，平行板电容器充电，上极板与电源正极相连而带正电，A对，B错；开关接2时，平行板电容器放电，放电结束后上、下极板均不带电，C、D错。 [答案]　A 第十章　静电场中的能量 二、电容器充、放电现象的定量计算 [例2]　电流传感器可以像电流 表一样测量电流，不同的是前 者反应比较灵敏，且可以和计 算机相连，能画出电流与时间 的变化图像。如图甲是用电流 传感器观察充、放电过程的实 验电路图，图中电源电压为6 V。 第十章　静电场中的能量 第十章　静电场中的能量 第十章　静电场中的能量 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 随堂巩固促应用 第十章　静电场中的能量 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。 答案　AD 第十章　静电场中的能量 2．据国外某媒体报道，科学家发明了一种新型超级电容器，能让手机几分钟内充满电。某同学假日登山途中，用该种电容器给手机电池充电，下列说法正确的是 (　　) A．该电容器给手机电池充电时，电容器的电容变大 B．该电容器给手机电池充电时，电容器存储的电能变少 C．该电容器给手机电池充电时，电容器所带的电荷量可能不变 D．充电结束后，电容器不带电，电容器的电容为零 第十章　静电场中的能量 解析　电容是描述电容器容纳电荷的本领大小的物理量，与电容器的电压及电荷量无关，故A、D错误；当该电容器给手机电池充电时，电容器存储的电荷量减小，则电能变少，故B正确，C错误。 答案　B 第十章　静电场中的能量 第十章　静电场中的能量 第十章　静电场中的能量 第十章　静电场中的能量 4．在测定电容器电容值的实验中，将电容器、电压传感器、阻值为3 kΩ的电阻R、电源、单刀双掷开关按图甲所示电路图进行连接。先使开关S与1端相连，电源向电容器充电，充电完毕后把开关S掷向2端，电容器放电，直至放电完毕。实验得到的与电压传感器相连接的计算机所记录的电压随时间变化的U－t曲线如图乙所示，图丙为由计算机对图乙进行数据处理后记录了“峰值”及曲线与时间轴所围“面积”的图。 第十章　静电场中的能量 (1)根据图甲所示的电路，观察图乙可知：充电电流与放电电流方向__________(选填“相同”或“相反”)，大小都随时间____________(选填“增加”或“减小”)。 解析　(1)根据图甲所示的电路，观察图乙可知：充电电流与放电电流方向相反，大小都随时间减小。 答案　相反　减小　 (2)当开关接“1”时，是充电还是放电？上极板带什么电？ 解析　当开关接“1”时，是与电源连接，是充电，且上极板带正电。 答案　充电　带正电　 第十章　静电场中的能量 (3)某同学认为：仍利用上述装置，将电压传感器从电阻两端改接在电容器的两端，也可以测出电容器的电容值。请你分析并说明该同学的说法是否正确。 答案　见解析 第十章　静电场中的能量 先使开关S与1接通，待充电完成后，把开关S再与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。根据图像估算出电容器全部放电过程中释放的电荷量为________C，该电容器电容约为________μF。(均保留三位有效数字) [解析]　根据题图乙的含义，因Q＝It，可知图形与时间轴围成的面积表示电荷量。根据横轴与纵轴的数据可知，一个格子的电荷量为8×10－5 C，由大于半格算一个，小于半格舍去，因此图像所包含的格子个数为38，所以释放的电荷量为q＝8×10－5 C×38＝3.04×10－3 C。根据电容器的电容C＝ eq \f(Q,U) 可知，C＝ eq \f(3.04×10－3,6) F≈5.07×10－4 F＝507 μF。 [答案]　3.04×10－3　507 3．(多选)电流传感器可以像电流表一样测量电流，可以捕捉到瞬间的电流变化，相当于一个理想电流表。用如图甲所示的电路来研究电容器的放电过程。实验时将开关S拨到1端，用直流电压为8 V的电源给电容器充电，待电路稳定后，将电流传感器打开，再将开关S拨到2端，电容器通过电阻R放电。以S拨到2端时为t＝0时刻，电流传感器测得的电流I随时间t的变化图像如图乙所示，根据题意，下列说法正确的是(　　) A．由I - t图像可知，电容器在全部放电过程中释放的电荷量约为3.6×10－3 C B．由I - t图像可知，电容器在全部放电过程中释放的电荷量约为3.6 C C．此电容器的电容约为4.5×10－4 F D．此电容器的电容约为0.4 F 解析　将横坐标t分成许多很小的时间间隔Δt，在这些很小的时间间隔里，放电电流I可以视为不变，则IΔt为这段时间内的电量，则电容器所带的电荷量为Q＝I1Δt1＋I2Δt2＋I3Δt3＋…＋InΔtn，式中I1Δt1、I2Δt2、…为图中的狭条形面积，由此可知，电容器所带的电荷量在数值上等于图像与坐标轴所包围的面积。纵坐标的每个小格为0.2 mA，横坐标的每个小格为0.4 s，则每个小格所代表的电荷量数值为q＝0.2×10－3×0.4 C＝8×10－5 C，曲线下包含的小正方形的个数为45个(格数为42～48都正确)；总放电量为Q＝45×8×10－5 C＝3.6×10－3 C，故A正确，B错误；由电容的计算公式，可得电容值C＝ eq \f(Q,U) ＝ eq \f(3.2×10－3,8) F＝4.5× 10－4 F，故C正确，D错误。故选AC。 答案　AC 解析　正确。因为当开关S与2连接，电容器放电的过程中，电容器C与电阻R上的电压大小相等，因此通过对放电曲线进行数据处理后记录的“峰值Um”及曲线与时间轴所围“面积S”，可应用C＝＝计算电容值。 $$