10.4 专题 实验：观察电容器的充、放电现象 课件 -2024-2025学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册

第十章 静电场中的能量 第4节 实验：观察电容器的充、放电现象 02 实验步骤和数据处理 01 实验原理和器材装置 第4节 实验：观察电容器的充、放电现象 目录 CONTENTS 03 注意事项和实验结果 04 典例分析和课堂练习 1 新课引入:闭合开关,分析电流表电压表的偏转情况？ A － ＋ + -0.6 0.6 0 + + + + + + + + v － ＋ + -3 3 0 2 连接1开关 电流表右偏，并返回 电压表右偏指某个值 连接2开关 电流表左偏，并返回 电压表左偏指向零 一、实验原理和器材装置 通过观察连接在回路中的电流表和电压表示数变化，得出电容器充、放电过程的特点。 1.实验原理 直流电源、导线、单刀双掷开关、电容器、定值电阻、电流表(电流传感器)、电压表(电压传感器)。 2.器材装置 二、实验步骤和数据处理 1.实验步骤 ①按图连接好电路． ②把单刀双掷开关S打在上面，使触点1 与触点2连通，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打在下面，使触点3与触点2连通，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． 实验项目 实验现象 电容器充电 灯泡L 电流表A1 电压表V 电容器放电 灯泡L 电流表A2 电压表V 1.实验步骤 实验项目 实验现象 电容器充电 灯泡L 电流表A1 电压表V 电容器放电 灯泡L 电流表A2 电压表V 亮度由明到暗最后熄灭 读数由大到小最后为零 读数由小到大最后为定值 亮度由明到暗最后熄灭 读数由大到小最后为零 二、实验步骤和数据处理 2.数据处理 读数由大到小最后为零 i1 t i2 t V t V t 三、注意事项和实验结果 ①电流表要选用小量程的灵敏电流计。注意电流表和电压表的正、负极和量程 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。 1.注意事项 ⑤对电解电容器也要注意正、负极。 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。 2.实验结论　 [典例1]（2023·新课标卷22题）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　　　（选填“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　　（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”）。 正极 C R2 电荷量 四、典例分析 [典例2]（2023·山东高考14题）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0～99 999.9 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（选填“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） b 6.5 四、典例分析 （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　　（选填“D1”或“D2”）闪光。 3.7×10－3 4.6×10－4 D1 四、典例分析 [练习1] 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 课堂练习 B [练习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)。 _______ 课堂练习 电容器充电到电压为U0时所带的电荷量 1.0×10－3 [练习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”)。 课堂练习 0.017(0.016～0.018) 0.001 7(0.001 6～0.001 8) 不变 [练习4] 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“＝”) 课堂练习 电容器带的电荷量 ＝ 0.15 ＜ 课堂练习 [练习5]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关系．图甲中直流电源电动势E＝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)乙图中阴影部分的面积S1________S2； (选填“>”“<”或“＝”) (2)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) (3)由甲、乙两图可判断阻值R1________R2.(选填“>”“<”或“＝”)   ＝ 0.15 < 课堂练习 [练习6]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 正确(选填“是”或“否”) 相反 减小 1.0×10－2 是 课堂练习 [练习7]某研究性学习小组做“用传感器观察电容器的充电和放电”的实验，把一个电容器、电流传感器、电阻、电源、单刀双掷开关按图甲所示连接。先将开关S拨至1端，电源向电容器充电，然后将开关S拨至2端，电容器放电，与电流传感器相连接的计算机记录这一过程中电流随时间变化的I－t像，如图乙所示。 （1）关于电容器的充、放电，下列说法中正确的是　　　　。（填正确答案标号） A.电容器充、放电过程中，外电路有电流 B.电容器充、放电过程中，外电路有恒定电流 C.电容器充电过程中，电源提供的电能全部转化为内能 D.电容器放电过程中，电容器中的电场能逐渐减小 （2）在形成电流曲线1的过程中，电容器两极板间的电压　　　　　　，在形成电流曲线2的过程中，电容器的电容　　　。（均选填“逐渐增大”“不变”或“逐渐减小”） （3）曲线1与横轴所围面积　　　　（选填“大于”“等于”或“小于”）曲线2与横轴所围面积。 AD 逐渐增大 不变 等于 [练习8]某同学通过实验观察电容器的充电、放电现象，采用的实验电路如图甲所示，已知所用电解电容器的长引线是其正极，短引线是其负极。所用器材如下：电池、电容器、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。 （2）根据图甲电路，请在图乙中 用笔画线代替导线，完成实物电路的连接。 （3）连接好实验电路，开关S应先接到　　，再接到　　，观察电容器的放电现象。（均选填“1”或“2”）。 （4）电容器开始放电，同时开始计时，每隔5 s读一次电流I的值，记录数据值，描绘得到如图丙所示的图像。曲线与坐标轴所围面积等于该次放电开始时刻，电容器上的 　　　　（选填“电压”或“电荷量”）。 课堂练习 正极 1 2  电荷量 [练习9]用如图甲所示电路观察电容器的充、放电现象，现提供如下实验器材：电源E（电动势3 V，内阻不计）、电容器C（标称电容1 000 μF、电阻箱R（0～9 999 Ω）、微安表G（量程500 μA，内阻为2 kΩ）、单刀双掷开关S和导线若干。 （1）根据图甲电路在图乙中用笔画线代替导线将实物电路连接完整。 （2）将开关S拨至位置1，电容器上极板带　　　　（选填“正”或“负”）电。 （3）充电完毕，将开关S拨至位置2，根据测得的数据作出电路中的电流I随时间t变化的图像如图丙所示，则电阻箱接入电路的阻值为　　　　kΩ。 （4）图丙中曲线与横轴围成的区域共有148个小格，则电容器电容的测量值为　　 μF（结果保留3位有效数字）。　　 课堂练习 负 8 987 课堂练习 （5）根据图丙可作出电容器所带电荷量q随时间t变化的图像。某小组两次实验中电阻箱接入电路的阻值分别为Ra和Rb，Ra＞Rb，对应的q－t图像为曲线a和b。则下列图像中可能正确的是　　（填正确答案标号）。 D 谢 谢 观 看 $$