第8章实验10 观察电容器的充、放电现象-【创新教程】2025年高考物理总复习大一轮课件PPT（人教版）

2024-08-13

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实验十观察电容器的充、放电现象第八章静电场及其应用、静电场中的能量下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）突破实验热点检测随堂效果 02 03 夯实基础实验 01 第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）夯实基础实验下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）突破实验热点下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）检测随堂效果下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材）下一页上一页返回导航第八章静电场及其应用、静电场中的能量高考总复习物理（新教材） ◆ 数据处理实验项目实验现象电容器充电灯泡亮度由明到暗最后熄灭安培表1 读数由大到小最后为零伏特表读数由小到大最后为6V 电容器放电灯泡亮度由明到暗最后熄灭安培表2 读数由大到小最后为零伏特表读数由大到小最后为零 ◆ 注意事项 1．电流表要选用小量程的灵敏电流表． 2．要选择大容量的电容器． 3．实验过程中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，避免烧坏电流表电容器充、放电现象的定性分析 [典例1]　(2023·新课标卷，22)在“观察电容器的充、放电现象”实验中，所用器材如下：电池、电容器、电阻箱、定值电阻、小灯泡、多用电表、电流表、秒表、单刀双掷开关以及导线若干． (1)用多用电表的电压挡检测电池的电压．检测时，红表笔应该与电池的　________　(填“正极”或“负极”)接触． (2)某同学设计的实验电路如图(a)所示．先将电阻箱的阻值调为R1，将单刀双掷开关S与“1”端相接，记录电流随时间的变化．电容器充电完成后，开关S再与“2”端相接，相接后小灯泡亮度变化情况可能是　________　.(填正确答案标号) A．迅速变亮，然后亮度趋于稳定 B．亮度逐渐增大，然后趋于稳定 C．迅速变亮，然后亮度逐渐减小至熄灭 (3)将电阻箱的阻值调为R2(R2＞R1)，再次将开关S与“1”端相接，再次记录电流随时间的变化情况．两次得到的电流I随时间t变化如图(b)中曲线所示，其中实线是电阻箱阻值为　________　(填“R1”或“R2”)时的结果，曲线与坐标轴所围面积等于该次充电完成后电容器上的　________　(填“电压”或“电荷量”)．　 1．第(2)问中“开关S再与‘2’端相连”，电容器通过回端立即放电，灯泡迅速变亮，但是放电电流会快速减小至零．灯光亮度逐渐减小至熄灭． 2．第(3)问中“将电阻箱的阻值调为R2(R2＞R1)，再次将开关S与‘1’端相连”，电容器再次充电，充电开始瞬时的电流大小由公式I＝eq \f(E,R＋r)决定，故电阻箱的阻值调为R2时充电开始瞬时的电流较小． [解析]　(1)多用电表应满足电流“红进黑出”，因此红表笔与电源的正极相连；(2)电容器放电过程中，电流由大逐渐变小，则小灯泡迅速变亮，然后亮度逐渐减小至熄灭；(3)实线表示充电慢，用时长，故接入的电阻应该为大的电阻，即R2，因此实线表示接入电阻为R2；根据公式I＝eq \f(Q,t)，则I t图像的线下面积表示电荷量． [答案]　(1)正极　(2)C　(3)R2　电荷量 1．把电容器、电流传感器、电阻、电源、单刀双掷开关按图甲所示连接．先使开关S与1端相连，电源向电容器充电；然后把开关S掷向2端，电容器通过电阻R放电．与电流传感器相连接的计算机(图中未画出)可记录电流随时间变化的It图像，规定逆时针的电流流向为正．图乙是某次实验中与电流传感器相连接的计算机所记录的It图像，可判断出该图像记录的是电容器的　________　过程(选填“充电”或“放电”)．请你用语言描述在此过程中电流随时间如何变化： __________________________________________________________ __________________________________________________________. 解析：由图乙所示It图像可知，电流为正值，则电流流向沿逆时针方向，与电源提供的电流方向一致，即该图像记录的是电容器的充电过程，电容器所带电荷量逐渐增加．由图像可知，在此过程中，电流随时间的增加逐渐减小到零，且电流减小得越来越慢．答案：充电　电流随时间的增加逐渐减小到零 2．某同学利用图(a)所示电路测量电容器充电时两极板间的电压随时间的变化．实验中使用的器材为：电池E(内阻很小)、开关S1和S2、电容器C(约100 μF)、电阻R1(约200 kΩ)、电阻R2(1 kΩ)、电压表V(量程6 V)、停表、导线若干． (1)按图(a)所示的电路原理图将图(b)中实物图连接起来． (2)先闭合开关S2，再断开开关S2；闭合开关S1，同时按下停表开始计时．若某时刻电压表的示数如图(c)所示，电压表的读数为　________　V(保留2位小数)． (3)该同学每隔10 s记录一次电压表的读数U，记录的数据如下表所示．在给出的坐标纸上绘出Ut图线．已知只有一个数据点误差较大，该数据点对应的时间是　________　 s. 时间t/s 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 电压U/V 2.14 3.45 4.23 4.51 5.00 5.18 (4)电路中C、R2和S2构成的回路的作用是_____________________ __________________________________________________________ __________________________________________________________. 解析：(2)电压表每小格代表0.1 V，且读数要求保留两位小数，其读数为3.60 V. (3)绘出Ut图线，偏离图线最远的点误差最大，由此确定t＝40.0 s时对应的数据误差最大． (4)测量电容器充电时两极板间的电压随时间的变化，必须保证开始(t＝0)时，电容器不带电．电路中C、R2和S2构成回路的作用就是在实验开始前，通过闭合S2，使电容器放电，特别是当实验需要重复多次时，在重复实验前必须先对电容器放电．答案：(1)如图1所示　(2)3.60　(3)如图2所示　40.0 (4)对电容器进行放电，以便多次测量电容器充、放电现象的定量计算 [典例2]　(2023·山东卷，14)电容储能已经在电动汽车、风、光发电、脉冲电源等方面得到广泛应用．某同学设计图甲所示电路，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10 V，电容标识不清)；电源E(电动势12 V，内阻不计)；电阻箱R1(阻值0～99999.9 Ω)；滑动变阻器R2(最大阻值20 Ω，额定电流2 A)；电压表V(量程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．回答以下问题： (1)按照图甲连接电路，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　__________　端滑动(填“a”或“b”)． (2)调节滑动变阻器滑片位置，电压表表盘如图乙所示，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，开关S2掷向1，得到电容器充电过程的I－t图像，如图丙所示．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．　 1．根据It图像，通过数小方格的个数(多于半格的记为1，少于半格的舍去)方法计算充电结束后，电容器存储的电荷量． 2．由电容器的定义式C＝eq \f(Q,U)计算电容C. [解析]　(1)滑动变阻器分压式接法，故向b端滑动充电电压升高； (2)量程15 V，每个小格0.5 V，故6.5 V； (3)It图像所围的面积，等于电容器存储的电荷量，38个小格，故电容器存储的电荷量为3.8×10－3 F； (4)由电容的定义式C＝eq \f(Q,U)得：C＝4.4×10－4 C； (5)开关S2掷向2，电容器放电，故D1闪光． [答案]　(1)b　(2)6.5　(3)3.8×10－3 (4)4.4×10－4　(5)D1 3．(2024·山东青岛期末)在“用传感器观察电容器的充电”实验中，电路图如图甲所示．一位同学使用的电源电动势E为8.0 V，测得充满电的电容器放电的It图像如图乙所示． (1)It图线与两坐标轴包围面积表示的物理意义是　________　；若按“数格子”(等于或多于半格算一格，小于半格舍去)法计算，则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换成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，由微元法可知，It图线与坐标轴围成的面积表示放电过程中放出的总的电荷量．图线下约有30格，所以电容器在全部放电过程中释放的电荷量约为Q＝30×0.000 2×0.4 C＝2.4×10－3 C. (2)电容器充满电后所带的电荷量Q＝2.4×10－3 C，而所加电压U＝E＝8.0 V，所以电容器的电容值 C＝eq \f(Q,U)＝eq \f(2.4×10－3,8.0)F＝3.0×10－4F. (3)由于电容器充满电后所带的电荷量一定，所有电荷量将通过电阻释放，若将电阻R换成一个阻值更大的电阻，对应的It图像更加平缓些，但释放电荷的总量不变．答案：(1)放电过程中放出的总的电荷量 2．4×10－3　(2)3.0×10－4　(3)不变 4．在测定电容器电容的实验中，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ut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的“峰值”及曲线与时间轴所围“面积”． (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“增大”或“减小”)． (2)该电容器的电容值为　________　F．(结果保留两位有效数字) (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．解析：(1)由题图甲、乙可知，充电和放电时R两端的电势相反，说明流过R的电流方向相反；电压均随时间减小，说明电流均随时间减小． (2)根据欧姆定律I＝eq \f(U,R)，图像的面积表示Ut，可知图像面积与R的比值表示电荷量．故极板所带最大电荷量q＝eq \f(182.7,3 000) C＝0.060 9 C，该电容器的电容值C＝eq \f(Q,U)＝eq \f(0.060 9,6) F≈1.0×10－2 F. (3)该同学的说法正确．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”，仍可应用C＝eq \f(Q,U)＝eq \f(S,RUm)计算电容值．答案：(1)相反　减小　(2)1.0×10－2　(3)见解析 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．放电过程中容器中的电场能逐渐减少答案：AD 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，电容器的电容为零答案：B 3．电容器是储存电荷和电能的元件，在实际中有广泛的应用．图b为手机充电宝内部的部分简化电路，电路中表示电容器的符号是(　　) A．甲　　　　B．乙　　　　C．丙　　　　D．丁解析：C　[由题图可知，甲为电源，乙为定值电阻，丁为滑动变阻器，丙为电容，故C正确，A、B、D错误．] 4.电流传感器可以把电容器放电电流随时间变化规律描绘出来．一个电容器先把它接到8 V的电源上充电，然后通过电流传感器放电，其电流随时间变化图像如图所示．由图像和坐标轴所围的面积知道电容器放电前所带的电量．已知如图所围的面积约为40个方格，由图可算出电容器的电容为多少？解析：根据Q＝It以及图像的迁移应用可知，图像与时间轴所围成的面积表示电量，则可知：电量q＝40×0.2×10－3×0.4＝3.2×10－3 C；则由Q＝UC可知：C＝eq \f(Q,U)＝eq \f(3.2×10－3,8) F＝4×10－4 F. 答案：4×10－4 F 5．电容器作为储能器件，在生产生活中有广泛的应用．对给定电容值为C的电容器充电，无论采用何种充电方式，其两极间的电势差u随电荷量q的变化图像都相同． (1)请在图1中画出上述uq图像．类比直线运动中由vt图像求位移的方法，求两极间电压为U时电容器所储存的电能Ep. (2)在如图2所示的充电电路中，R表示电阻，E表示电源(忽略内阻)．通过改变电路中元件的参数对同一电容器进行两次充电，对应的qt曲线如图3中①②所示． a．①②两条曲线不同是　________　(选填“E”或“R”)的改变造成的； b．电容器有时需要快速充电，有时需要均匀充电．依据a中的结论，说明实现这两种充电方式的途径． (3)设想使用理想的“恒流源”替换(2)中电源对电容器充电，可实现电容器电荷量随时间均匀增加．请思考使用“恒流源”和(2)中电源对电容器的充电过程，填写下表(选填“增大”“减小”或“不变”). “恒流源” (2)中电源电源两端电压通过电源的电流解析：(1)uq图像如图所示．电压为U时，电容器带电Q，图线和横轴围成的面积表示所储存的电能Ep，Ep＝eq \f(1,2)QU，又Q＝CU，故Ep＝eq \f(1,2)CU2. (2)a.由图像知，电容器充完电后，①②两次电荷量相等，由Q＝CU＝CE知，两次电源电动势相等．故①②两条曲线不同不是E的改变造成的，只能是R的改变造成的．b.刚开始充电瞬间，电容器两端的电压为零，电路的瞬时电流为I＝eq \f(E,R)，故减小电阻R，刚开始充电瞬间电流I大，曲线上该点切线斜率大，即为曲线①.这样能在较短时间内使电荷量达到最大，故可以实现对电容器快速充电．增大电阻R，刚开始充电瞬间电流I小，即为曲线②，该曲线接近线性，可以实现均匀充电． (3)接(2)中电源时，由于忽略电源E的内阻，故电源两端电压不变．通过电源的电流I＝eq \f(E－U,R)，随着电容器两端电压U不断变大，通过电源的电流减小．“恒流源”是指电源输出的电流恒定不变．接“恒流源”时，随着电容器两端电压的增大，“恒流源”两端电压增大．答案：(1)uq图像见解析图　Ep＝eq \f(1,2)CU2 (2)a.R　b．减小电阻R，可以实现对电容器快速充电；增大电阻R，可以实现均匀充电． (3) “恒流源” (2)中电源电源两端电压增大不变通过电源的电流不变减小 $$

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