第9章 实验十 观察电容器的充、放电现象-【优化探究】2025年高考物理一轮复习高考总复习配套课件（教科版2019）

实验十　观察电容器的充、放电现象 第九章　静电场 实验技能 自主学习 实验要点 互动探究 达标检测 巩固提高 命题点一　教材原型实验 命题点二　实验创新设计 内容索引 实验技能 自主学习 一 3 1．实验目的 (1)知道电容器的构造。 (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。 2．实验原理及设计 (1)电容器的充电过程：当S接1时，电容器接通电源，电容器极板的自由电子在静电力的作用下将经过电源移到与电源负极相接的下极板，正极由于失去负电荷而带正电，负极由于获得负电荷而带负电，正、负极板所带电荷量大小相等，符号相反，如图甲所示。电荷定向移动形成电流，由于同性电荷的排斥作用，所以开始时电流最大，以后逐渐减小，在电荷移动过程中，电容器极板储存的电荷不断增加，电容器两极板间电压U等于电源电压E时电荷停止移动，电流I≈0。 (2)电容器的放电过程：当S接2时，电容器的两极板用导线连接起来，电容器正极板上的正电荷与负极板上的负电荷中和，两极板的电荷量逐渐减少，表现为电流逐渐减小，电压也逐渐减小为零(如图乙所示)。 3．实验器材 电源、单刀双掷开关、平行板电容器、电流表和电压表。 4．实验步骤 (1)调节直流可调电源，使其输出电压为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，把单刀双掷开关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)把单刀双掷开关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。 1．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 电流表1 读数由大到小，最后为零 电压表 读数由小到大，最后为6 V 电容器放电 灯泡 亮度由明到暗，最后熄灭 电流表2 读数由大到小，最后为零 电压表 读数由大到小，最后为零 2.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。 二 实验要点 互动探究 11 命题点一　教材原型实验 角度1　电容器的充(放)电过程的观察与描述 [典例1]　(2023·新课标卷)在“观察电容器的充、放电现象”的实验中，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________(选填“正极”或“负极”)接触。 正极 (1)在使用多用电表时，应保证电流从红表笔流入，从黑表笔流出，即“红进黑出”，因此红表笔应该与电池的正极接触。 (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 C (2)S与“1”端相接时，小灯泡不发光，电容器充电；S与“2”端相接时，电容器放电，且放电电流逐渐变小，直至为0，故C对，A、B错。 (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________(选填“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________(选填“电压”或“电荷量”)。 R2 电荷量 角度2　电容器充、放电现象的定量计算 [典例2]　如图甲是用高电阻放电法测电容的实验电路图。其原理是测出电容器在充电电压为U时所带的电荷量Q，从而求出其电容C。该实验的操作步骤如下： (1)按电路图接好实验电路。 (2)接通开关S，调节电阻箱R的阻值，使微安表的指针接近满刻度。记下这时的电压表读数U0＝6.2 V和微安表读数I0＝490 μA。 (3)断开开关S并同时开始计时，每隔5 s或10 s读一次微安表的读数i，将读数记录在预先设计的表格中。 (4)根据表格中的12组数据，以t为横坐标，i为纵坐标，在坐标纸上描点，如图乙所示(图中用“×”表示)。 根据以上实验结果的图像，可以估算出当电容器两端电压为U0时该电容器所带的电荷量Q0约为______________ C，从而算出该电容器的电容约为__________ F。 8.75×10-3 1.4×10-3 命题点二　实验创新设计 角度　实验目的创新 [典例3]　某同学利用如图(a)所示的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)、秒表、导线若干。 (1)按图(a)所示的电路原理图将图(b)中实物图连线。 [答案]　(1)图见解析　 (1)根据电路图，实物图连线如图所示。 (2)先闭合开关S2，再断开开关S2，闭合开关S1，同时按下秒表开始计时。若某时刻电压表示数如图(c)所示，电压表的读数为________ V。 (2)电压表的量程为6 V，分度值为0.1 V，所以读数为3.60 V。 3.60 (3)该同学每隔10 s记录一次电压表的读数，记录的数据如表所示。 在给出的坐标纸上绘出图线，已知只有一个数据点误差较大，该数据点对应的表中的时间是______ s。 [答案]　(3)图见解析　 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 40.0 (3)先描点，然后用平滑的曲线将所描的点连接起来，如图所示。 由所作图线可以看出t＝40 s处的数据点偏离曲线较远，所以该数据对应表中的时间为40.0 s。 (4)电路中C、R2和S2构成的回路的作用是_________________________ ________________________。 (4)电路中C、R2和S2构成的回路，先闭合开关S2，再断开开关S2，使电容器上所带电荷量释放干净，不影响下一次实验。 使每次实验前电容器两极 板上的电荷相中和 三 达标检测 巩固提高 2 1 1．某同学用电流传感器和电压传感器研究电容器的放电情况。按如图连接电路，实验时，先将开关S与1端相连，待电路稳定后，将开关掷向2端，传感器将信息传入计算机，屏幕上可以显示出电流、电压随时间变化的i－t图像、u－t图像。 3 2 1 (1)由图可知，传感器2应为________(选填“电流”或“电压”)传感器。 (1)传感器2与电阻R并联，应为电压传感器。 电压 3 2 1 (2)计算机屏幕上显示的i－t图像可能为下图中的________，u－t图像可能为下图中的________。 B D 3 2 1 3 2 1 2．某小组同学用如图甲所示的电路，利用电流传感器(接计算机采集器)、电阻箱和电容器测量电源电动势和内阻，已知电容器的电容为C。 先按图甲所示电路连接好实验电路，然后进行如下操作：①接通开关S，调节电阻箱R的阻值，电路稳定时，记下电流传感器示数I；②断开开关S，同时开始计时，采集器每隔Δt采集一次电流I的值，将采集的数据填入预先设计的表格中；③根据表格中的数据绘制以时间t为横坐标、电流I为纵坐标的I－t图像；④根据I－t图像估 算出该电容器初始时所带的电荷量Q。 3 2 1 (1)图乙为某次实验得到的I－t图像。试估算出该电容器初始放电时所带的电荷量Q约为______________ C(结果保留三位有效数字)。 8.00×10-3 3 2 1 (1)由ΔQ＝I·Δt知所求电荷量为曲线与坐标轴所围图形的面积，则利用数格子方法估算出电容器初始放电时的电荷量为 Q＝32×0.5×0.5×10-3 C＝8.00×10-3 C。 3 2 1 (2)断开开关后若增大电阻箱的接入值，I－t图像应该是选项________(实线表示增大R前的图像，虚线代表增大R后的图像)。 A 3 2 1 (2)如果只增大电阻R，则电容器放电的最大电流会减小，由于放电电荷量不变，即I－t图像的“面积”不变，所以放电时间会变长，故选A。 3 2 1 3．(2023·北京东城区高三模拟)电流传感器可以像电流表一样测量电流，能显示出电流随时间变化的I－t图像。按图甲连接电路，先使开关S与1端相连，电源向电容器充电，这个过程可在较短时间内完成。然后把开关S掷向2端，电容器通过电阻R放电，传感器将电流信息传入计算机，屏幕上显示出电流随时间变化的I－t图像，如图乙所示。 3 (1)在图乙中画一个竖立的狭长矩形(在图乙的最左边)，它的面积的物理意义是________(填写面积所代表物理量的名称)。 (1)在极短时间内，电容器放电电流I可以认为不变，可认为题图乙中0.1 s内放电电流不变，则狭长矩形面积的物理意义为0.1 s内电容器放出的电荷量。 电荷量 2 1 3 (2)根据I－t图像估算电容器在全部放电过程中释放的电荷量约为________ C(结果保留一位有效数字)。 3×10-3 2 1 3 2 1 3 (3)若对应开关S与1端相连的充电过程，电荷量随时间变化的q－t图像的示意图是怎样的？请在图丙中定性画出。 答案：(3)图见解析 2 1 3 (3)对应开关S与1端相连是电容器充电过程，开始时充电电流较大，则q－t图像的切线斜率较大，随着充电电流逐渐减小，则q－t图像的切线斜率逐渐减小，最后趋于稳定，q－t图像如图所示。 2 1 3 (4)实验中，为使能观察到的放电过程持续更长的时间，请通过分析判断，在其他条件一定的情况下，电阻R应____________(“尽量大一些”或“尽量小一些”)。 (4)实验中，为使能观察到的放电过程持续更长的时间，电阻R应尽量大一些，因为释放的电荷量是一定的，电流越小，放电过程持续时间越长。 尽量大一些 2 1 3 (5)某实验小组在完成实验后，积极展开思考，进一步进行理论探究“为什么放电过程中电流的变化率越来越小”，假如你也是实验小组的一员，请你对此做出合理的理论分析：____________。 答案：(5)见解析 2 1 3 2 1 3 $$