第二章 第一节 第1课时 电容器与电容 实验：观察电容器的充放电现象-（配套课件）2023-2024学年高一新教材物理必修第三册 【步步高】学习笔记（粤教版）

DIERZHANG 第二章 第1课时　电容器与电容　实验：观察 电容器的充放电现象 1.知道什么是电容器及电容器的主要构造。 2.理解电容的概念及其定义式(重难点)。 3.知道电容器充、放电的实验原理和实验电路。 学习目标 2 一、识别电容器　电容器的充放电 二、电容器的电容 三、实验：观察电容器的充放电现象 课时对点练 内容索引 3 一 识别电容器　电容器的充放电 4 1.识别电容器 (1)电容器的组成：两个互相 、彼此 的导体，导体间可以填充_________________。 (2)电容器的表示 在电路中，电容器用字母“ ”及电路符号“ ”表示。 (3)电容器的作用：储存 和电能。 靠近 绝缘 绝缘物质(电介质) C ┤├ 电荷 (4)常见电容器，如图所示。 (5)电容器的应用 日光灯启辉器、电视机、照相机、电容式键盘、手机触摸屏中都有电容器。 2.电容器的充放电 (1)充电、放电：使电容器两个极板带上 ，这个过程叫充电。使电容器两极板上的电荷 ，电容器不再带电，这个过程叫放电。 (2)从能量的角度区分充电与放电：充电是从电源获得能量储存在电容器中，放电是把电容器中的 转化为其他形式的能量。 (3)电容器的电量：其中 极板所带电量的绝对值。 等量异种电荷 中和 电场能 一个 (1)任何两个相距很近又彼此绝缘的导体都可以看作电容器。(　　) (2)电容器只能储存同种电荷。(　　) (3)任何绝缘的物质都能作为电介质。(　　) (4)电容器带电时，两个极板只有一个板上有电荷。(　　) × × √ √ 辨析 　(2023·潮州市高二期中)在如图所示的电路中，对平行板电容器进行充、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，平行板电容器放电，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，平行板电容器放电，且上极板带负电 例1 √ 开关接1时，电源给平行板电容器充电，充电电流从电源正极流出，上极板带正电，A正确，B错误； 开关接2时，平行板电容器通过导线放电，放 电过程上极板带正电，放电后两极板都不带电，C、D错误。 二 电容器的电容 11 1.电容 (1)定义：电容器所带 与电容器两极板间的 之比。 (2)定义式：______。 (3)单位：电容的国际单位是 ，符号为 ，常用的单位还有 和_____，1 F＝ μF＝ pF。 (4)物理意义：电容器的电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量。 (5)公式C＝ 表明，电容器的电容在数值上等于使两极板间的电势差为_____时电容器需要带的电荷量。 电量Q 电压U 法拉 F 微法 皮法 106 1012 1 V 2.击穿电压和额定电压 (1)击穿电压：电介质不被击穿时加在电容器两极板上的极限电压，若电压超过这一限度，电容器就会损坏。 (2)额定电压：电容器外壳上标的电压是工作电压(或称额定电压)，也是电容器正常工作时所能承受的最大电压。 (3)额定电压比击穿电压 。 低 　(多选)(2022·东莞市高二期末)全球首创超级电容储存式现代电车在中国宁波基地下线，没有传统无轨电车的“辫子”，没有尾气排放，乘客上下车的时间内，可对车进行充电，充电30秒能行驶5公里以上，如图为使用“3 V,12 000 F”石墨烯纳米混合型超级电容器的电车，下列说法正确的是 A.该电容器充满电时所带电荷量为36 000 C B.电容器充电的过程中，电荷量逐渐增加， 　电容也逐渐增加 C.电容器放电过程中，电荷量逐渐减少到0，电容不变 D.电容器放电过程中，电荷量逐渐减少到0，电压不变 例2 √ √ 该电容器充满电时所带电荷量为Q＝CU＝36 000 C，故A正确； 电容器的电容由本身结构决定，与充、放电无关，放电过程，电荷量减少，充电过 程，电荷量增加，电容不变，故C正确，B错误； 由U＝　可知，放电过程中Q减小，C不变，因此电压减小，故D错误。 　(2023·江门市高二期末)如图所示为某一平行板电容器中所带电量和两端电压之间的关系图线，若将该电容器两端的电压从40 V降低到36 V，关于该电容器，下列选项正确的是 A.是充电过程 B.该电容器两板间电场强度增大 C.该电容器的电容为5.0×10－3 F D.该电容器的电量变化量的绝对值为0.20 C 例3 √ 由图像可知，电压从40 V降低到36 V，电容器的电量减小，则属于放电过程；电压减小，电场强度减小，故A、B错误； 当电压为40 V时，电量为0.2 C，故电容为C＝ ＝5.0×10－3 F，故C正确； |ΔQ|＝|C·ΔU|＝|0.005 F×(36－40) V|＝0.02 C，故D错误。 总结提升 电容器电容的另一表达式 如图所示，Q－U图像是一条过原点的直线，其中Q为一个极板上所带电荷量的绝对值，U为两板间的电势差，直线的斜率表示电容大小。因此C＝ 即电容的大小在数值上等于两极板间的电压增加(或减小)1 V所增加(或减小)的电荷量。 三 实验：观察电容器的充放电现象 19 1.实验目的 (1)通过观察，了解电容器在充电和放电的过程中，电路中电流的变化； (2)判断电容器在充电和放电的过程中，两极板储存电荷量的变化； (3)探究电容器所带电量与两极板间电压的关系。 2.实验过程 如图所示为实验原理图，其中R＝10 kΩ，电容器C标有“50 μF”，耐压为25 V，电源为1节干电池。实验时，将电流传感器和电压传感器 采集的数据传输给计算机，计算机通过数据进行分析和处理，得到电容器充、放电过程中的U－t图像和I－t图像，如图所示。 3.实验结论 项目 充电过程 放电过程 电压 电容器两极板间电压迅速 ，随后逐渐稳定在某一数值。 电容器两极板间电压迅速_____，随后逐渐减小为 。 电流 充电电流由电源的正极流向电容器的正极板，同时，电流从电容器的负极板流向电源的负极，充电电流逐渐 ，最后为 。 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，放电电流逐渐 ，最后为0。 电量 电容器所带电量_____ 电容器所带电量_____ 增大 减小 0 减小 0 减小 增加 减少 电场强度 电容器两极板间电场强度_____ 电容器两极板间电场强度_____ 能量转化 电容器从电源获取的能量转化为_______，不断地储存在电容器中 电容器的电场能转化成电路中其他形式的能量 电场能 增大 减小 4.电容器所带电量与两极板间电压的关系 在I－t图像中，图像与坐标轴所围的面积表示电容器所带的 。当电源干电池改用2节、3节、4节、5节时，利用实验测得的数据可得极板所带电量与所加电压U的关系图线如图所示。根据图线可知，电容器所带的电量与电容器两极板间的电压成 。 电量 正比 一位同学用电流传感器观察电容器放电过程的变化情况得到的I－t图像如图所示，电源电压是8 V。 (1)在图中画一个竖立的狭长矩形(在图的最左边)，它的面积的物理意义是什么？ 讨论与交流 答案　0～0.2 s内电路中流过的电荷量。 (2)怎样根据I－t图像估算电容器在全部放电过程中释放的电荷量？试着算一算。 注意：“面积”的计算：计算格子数，小于半格的舍去，大于半格的算一格。 答案　计算图线与横轴间的面积，约为40格，Q＝3.2×10－3 C。 　(2022·温州市高一期末)在“观察电容器的充、放电现象”实验中， 把干电池E、电阻箱R、电容器C、电流表G、单刀双掷开关S按照电路图连成实验电路，将电阻箱R调到合适阻值。 (1)先使开关S接1，电源给电容器充电，观察到电流表指针偏转情况为____； A.逐渐偏转到某一刻度后保持不变 B.逐渐偏转到某一刻度后迅速回到0 C.迅速偏转到某一刻度后保持不变 D.迅速偏转到某一刻度后逐渐减小到0 例4 D 使开关S接1，电源给电容器充电，电路瞬间有了充电电流，随着电容器所带电荷量逐渐增大，电容器两极板间的电压逐渐增大，充电电流逐 渐减小，所以此过程中观察到电流表指针迅速偏转到某一刻度后逐渐减小到0，D正确，A、B、C错误。 (2)电容器充电完毕，断开开关，此时如图所示电路图中电容器上极板________(填“带正电”“带负电”或“不带电”)； 带正电 由电路图可知，电容器上极板与电源正极相连，故电容器充电完毕，断开开关，电容器上极板带正电。 (3)然后将开关S接2，电容器放电。在放电过程中，电路中的电流大小为i，电容器所带电量为Q，电容器两极板电势差为U，电容器的电容为C。关于i、Q、U、C随时间t变化的图像正确的是____。 B 放电过程中，电容器电容保持不变，D错误；放电过程中，电容器所带电量逐渐减小， 根据电容定义式C＝ 可知电容器两极板间电压逐渐减小， 则放电电流逐渐减小，根据i＝ 可知Q－t图像的切线斜率绝对值逐渐减小，B正确，A、C错误。 　(2023·广东实验中学月考)在“用传感器观察电容器的充放电过程”实验中，按图所示连接电路。电源电压为8.0 V，单刀双掷开关S先断开，某时刻开关接1，一段时间后，把开关再改接2，实验中使用了电流传感器来采集电流随时间的变化情况。 (1)开关S改接2后，电容器进行的是_______(选填“充电”或“放电”)过程，此过程中流经电阻R的电流方向_________(选填“自上而下”或“自下而上”)。实验得到的I－t图像如图所示，如果不改变电路其他参数，只减小电阻R的阻值，则此过程的I－t曲线与横轴所围成的面积将______(选填“减小”“不变”或“增大”)。 例5 放电 自下而上 不变 当开关S接2时，电容器相当于电源，进行的是放电过程； 开关S接1时，电源给电容器充电，电容器上极板接正极，充电完成，上极板带正电，下极板带负电，开关S接2时，电容器相当于电源，上极板相当于电源的正极，故R中电流自下而上； I－t曲线与横轴所围成的面积为电容器充电完成后所带电荷量，只减小电阻R，并不能改变电容器充电完成后所带的电荷量，故此过程的I－t曲线与横轴所围成的面积将不变； 430 (2)若实验中测得该电容器在整个放电过程中释放的电荷量Q＝3.44×10－3 C，则该电容器的电容为_____ μF。 四 课时对点练 考点一　电容的理解 1.(多选)下列关于电容的说法正确的是 A.电容是反映电容器容纳电荷本领的物理量 B.电容器A的电容比B的大，说明A的带电荷量比B多 C.电容在数值上等于使两极板间的电势差为1 V时电容器需要带的电荷量 D.由公式C＝ 知，若电容器两极板间电压为10 V，极板带电荷量为 2×10－5 C，则电容器电容大小为5×105 F 1 2 3 4 5 6 7 8 9 基础对点练 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 电容反映电容器容纳电荷本领的大小，A对； 电容器A的电容比B的大，只能说明电容器A容纳电荷的本领比B强，与带电荷量多少无关，B错； 根据电容的定义式可知C对；电压为10 V，极板带电荷量为2×10－5 C， 电容C＝ ＝2×10－6 F，D错。 2.(2023·茂名市高二期中)如图是一个电解电容器，由标注的参数可知 A.电容器的击穿电压为100 V B.当电容器的电压低于100 V时，电容器无法 　工作 C.给电容器加50 V电压时，电容器的电容为110 μF D.电容器允许容纳的最大电荷量为0.022 C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 √ 根据C＝　代入数据得电容器允许容纳的最大电荷量为0.022 C，故D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 电容器的额定电压为100 V，低于100 V时也可以工作，故A、B错误； 电容只与电容器本身有关，给电容器加50 V电压时，电容器的电容为200 μF，故C错误； 3.(2023·广州市第十六中学高二期中)如图是描述对给定的电容器充电时电荷量Q、电压U、电容C之间关系的图像，其中错误的是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 因为电容C与两极板所带电荷量Q无关，与两极板间的电压U无关，所以，C－Q，C－U图像均为一条平行横轴的直线，故A错误，B、D正确； 根据C＝　，电容不变，Q与U成正比，故C正确。 考点二　电容的计算 4.(多选)某电容器的电容是30 μF，额定电压为200 V，击穿电压为400 V，对于该电容器，下列说法中正确的是 A.为使该电容器两极板间的电压增加1 V，所需要增加的电荷量是3×10－5 C B.当电容器带1 C的电荷量时，两极板间的电压为3×10－5 V C.该电容器在额定电压下能容纳的电荷量为6×10－3 C D.该电容器两极板间能承受的最大电压为200 V 1 2 3 4 5 6 7 8 9 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ΔQ＝C·ΔU＝30×10－6×1 C＝3×10－5 C，A正确； Q额＝CU额＝6×10－3 C，C正确； 击穿电压为400 V表示电容器两极板间能承受的最大电压为400 V，D错误。 5.一个已充电的电容器，若使它的电荷量减少1.5×10－4 C，则其电压减小为原来的　 则 A.电容器原来的带电荷量为9×10－4 C B.电容器原来的带电荷量为4.5×10－4 C C.电容器原来的电压为1 V D.电容器的电容变为原来的 1 2 3 4 5 6 7 8 9 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 因电容器的电容未知，所以无法求出电容器原来的电压，C错误； 电容器的电容由电容器本身决定，跟电压和所带电荷量的变化无关，所以电容器的电容不变，D错误。 考点三　电容器的充、放电 6.(2023·广东高二学业考试)如图是观察电容器充、放电现象的电路。下列说法正确的是 A.将开关S从b改接到a时，观察的是充电现象 B.将开关S从b改接到a后，电流计G的指针将一直偏转 C.将开关S从a改接到b时，观察的是充电现象 D.将开关S从a改接到b后，灯L的发光亮度不变 1 2 3 4 5 6 7 8 9 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 将开关S从b改接到a时，电容器开始充电，充电电流从最大值逐渐减小到零，电流计G的指针从最大值逐渐回到零；将开关S从a改接到b时，电容器开始放电，放电电流从最大值逐渐减小到零，灯L的发光亮度逐渐变暗。故选A。 7.(多选)(2022·中山市高二期末)图甲为用电流传感器在计算机上观察电容器充、放电现象的电路图，E表示电源，R表示电阻，C表示电容器，将S分别拨到a、b两触点，得到充、放电过程中电容器两极板间电压U、电路中的电流I与时间t的关系图像如图乙所示，以下说法正确的是 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A.t1～t2时间内，电容器极板所带的电荷量逐渐增加，电容器在充电 B.t2～t3时间内，电容器极板所带的电荷量减少为零，电容器在放电 C.t3～t4时间内，I－t图线与t轴围成的图形“面积”表示电容器放电过 　程放出的电荷量 D.在图甲的电路中，增大电阻R，可以实现对电容器更快速充电 1 2 3 4 5 6 7 8 9 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 t1～t2时间内，电容器两极板的电压在逐渐增大，由Q＝CU知电容器极板所带的电荷量逐渐增加，电容器在充电，故A正确； t2～t3时间内，电容器极板的电压稳定不变，说明处于充电饱和阶段，故B错误； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 t3～t4时间内，电容器两极板间电压减小，说明在放电，所以t3～t4时间内，I－t图线与t轴围成的图形“面积”表示电容器放电过程放出的电荷量，故C正确； 电容器充电时间的长短与充电回路的电阻值有关，电阻越大，充电电流就越小，充电所需要的时间就越长，故D错误。 8.(2023·珠海市斗门区第一中学高二月考)如图甲是利用电流传感器系统研究电容器放电情况的电路图。将电容器C1接入电路检查无误后进行了如下操作： ①先将S拨至1，并接通足够长的时间 ②再将S拨至2 ③观察并保存计算机屏幕上的I－t图， 得到图线Ⅰ，(图乙Ⅰ) ④换上电容器C2重复前面的操作，得到图线Ⅱ(图乙Ⅱ) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 能力综合练 (1)下列说法正确的是_____； A.电容器放电的过程中，电流向 　上流过电流传感器 B.电容器放电的过程中，电流中 　的电流不断增大 C.电容器放电的过程中，电容器两极板间的场强不断变小 D.电容器放电的过程中，电容器把储存的电场能转化为其他形式的能量 1 2 3 4 5 6 7 8 9 CD 1 2 3 4 5 6 7 8 9 电容器放电的过程中，电流向下流过电流传感器，故A错误； 电容器放电的过程中，电路中的电流不断减小，故B错误； 电容器放电的过程中，电容器所带电荷量逐渐减小，则两极板间的电压逐渐减小，根据E＝ 可知场强不断变小，故C正确； 电容器放电的过程中，电容器把储存的电场能转化为电路中其他形式的能量，故D正确。 (2)由I－t图线可以分析出，两个电容器充电结束后，C1的电量______(填“大于”“小于”或“等于”)C2的电量； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 大于 根据Q＝It可知，I－t图形与时间轴围成图像的面积表示电容器充电过程中极板上获得的电量，由题图乙可知，图线Ⅰ与时间轴围成面积较大，故两个电容器充电结束后，C1的电量大于C2的电量； (3)两个电容器相比较，C1的电容______(填“较大”“较小”或“相等”)。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 较大 根据C＝ 可知，两次充电时电源电压相等，且C1的电量大于C2的电 量，故C1的电容较大。 9.(2022·北京房山二模)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。图甲中直流电源电压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 2 3 4 5 6 7 8 9 (1)图像阴影为i－t图像与对应时间轴所围成的面积，它表示的物理意义是________； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 电荷量 根据q＝it可知i－t图像与对应时间轴所围成的面积表示的物理意义是电荷量。 (2)乙图中阴影部分的面积S1_____S2；(选填“>”“<”或“＝”) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ＝ S1表示电容器充电后所带电荷量，S2表示电容器放出的电荷量，所以S1＝S2。 (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) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0.15 BENKEJIESHU 本课结束 更多精彩内容请登录：www.xinjiaoyu.com C＝      ＝ F ，   根据电容器电容的定义C＝， 代入数据得C＝ F＝430 μF         当Q＝1 C时，U＝＝ V≈3.3×104 V，B错误； ， 由题意知C＝＝，解得Q＝4.5×10－4 C，故B正确，A错误；  ，   该电容器的电容为C＝＝≈0.15 F。 $$