06 4．电容器的电容 第2课时 实验：观察电容器的充、放电现象-【金版新学案】2024-2025学年高中物理必修第三册同步课堂高效讲义教师用书（人教版2019）

第2课时　实验：观察电容器的充、放电现象 【素养目标】　1.熟知实验原理、实验过程。2.通过实验观察电容器在充、放电过程中电流电压的变化、分析电荷量变化及能量转化情况。3.通过实验、探究电容器两极板间电势差与所带电荷量的关系、理解电容的概念。 一、实验原理 1．充电过程 (1)电路图如图甲所示 (2)特点 ①有充电电流，电流方向是流入电容器正极板，电流由大变小。 ②电容器所带电荷量增加。 ③电容器两极板间电压升高。 ④电容器两极板间电场强度增加。 当电容器充电结束后，电容器所在电路中无电流，电容器两极板间电压与充电电压相等。 学生用书第53页 2.放电过程 (1)电路图如图乙所示 (2)特点 ①有放电电流，电流方向是从正极板流出，电流由大变小。 ②电容器所带电荷量减少。 ③电容器两极板间电压降低。 ④电容器两极板间电场强度减弱。 当电容器放电结束后，电路中无电流。电容器的放电过程实际上是正、负电荷中和的过程。 二、实验器材 直流电源、单刀双掷开关、平行板电容器、电流表、电压表、定值电阻、导线若干。 三、实验步骤 1．按图丙连接好电路。 2．把单刀双掷开关S接1，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接2，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。 四、实验记录和分析 实验项目 实验现象 电容器充电 电流 方向：由电源的正极流向电容器的正极板 大小：由某一数值逐渐减小至0 电压 增大，最后稳定到某一数值 电容器放电 电流 方向：由电容器的正极板经过电阻R流向电容器的负极板 大小：由某一数值逐渐减小至0 电压 减小，最后为0 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，在电路中串联一个定值电阻，以免烧坏电流表。 一　教材原型实验 (2024·吉林四平一中月考)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。按图(a)所示连接电路。 (1)将电阻箱的阻值调为R1，将开关S与“1”端相接，记录电流随时间的变化情况；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。两次测得的电流 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。 (2)图(b)中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”，已知流过电路的电荷量与电流之间满足Q＝It)。 答案：(1)R2　(2)电荷量 解析：(1)开始充电时两极板不带电，两极板电势差为零，设电源电压为U，不考虑电源电阻，则开始充电时有I＝，由图像可知开始充电时实线的电流较小，故电路中的电阻较大，因此电阻箱阻值为R2。 (2)图像的物理意义为充电过程中电流随时间的变化图线，根据Q＝It可知，曲线与坐标轴所围面积等于该次充电完成后电容器上的电荷量。 学生用书第54页 针对练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 答案：AD 解析：电容器充、放电过程中会有电荷发生定向移动，外电路产生变化的电流，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。 针对练2.(2024·北京师大第二附中期中)在研究电容器的充、放电实验中，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，电容器放电。电流传感器与计算机连接，记录这一过程中电流随时间变化的i-t图像如图乙所示，图线1表示电容器的充电过程，图线2表示电容器的放电过程，已知流过电路的电荷量与电流之间满足q＝It，下列选项正确的是(　　) A．电容器充电过程中流过电阻R的电流方向向左 B．电容器放电过程中流过电阻R的电流方向向右 C．图乙中图线1与横轴所围的面积，表示电容器充电后所带电荷量的大小 D．图乙中形成图线2的过程中，电容器存储的电荷减少得越来越快 答案：C 解析：开关S与1端相连，电源向电容器充电，电容器充电过程中流过电阻R的电流方向向右，故A错误；开关S掷向2端，电容器放电，流过电阻R的电流方向向左，故B错误；根据q＝It可知，i-t图像中，图像与时间轴所围图形的面积表示电荷量，题图乙中图线1与横轴所围的面积，表示电容器充电后所带电荷量的大小，故C正确；根据题图乙中的图线2可知，电流逐渐减小，电容器存储的电荷减少得越来越慢，故D错误。 二　拓展创新实验 电流传感器可以像电流表一样测量电流，不同的是反应比较灵敏，且可以和计算机相连，显示出电流与时间的变化图像。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8 V。 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，该电容器电容为________μF。(已知Q＝It) 答案：3.20×10-3(3.04×10-3～3.28×10-3均可)　400(380～410均可) 解析：由Q＝It可知，题图乙中图线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，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40个，所以释放的电荷量为Q＝40×8×10-5 C＝3.20×10-3 C。根据电容器的电容C＝可得C＝ F＝4×10-4 F＝400 μF。 针对练．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。图甲中直流电源电动势E＝8 V，电源电阻不计，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图像如图乙所示，已知q＝It。 学生用书第55页 (1)图像中阴影为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)图乙中阴影部分的面积S1________(选填“>”“<”或“＝”)S2； (3)计算机测得S1＝1 203 mA·s，则该电容器的电容为________F；(结果保留2位有效数字) (4)由甲、乙两图可判断出阻值R1________(选填“>”“<”或“＝”)R2。 答案：(1)电荷量　(2)＝　(3)0.15　(4)＜ 解析：(1)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)S1表示电容器充电后所带电荷量，S2表示电容器放电的电荷量，所以S1＝S2。 (3)该电容器的电容为C＝＝≈0.15 F。 (4)由题图乙可知，电容器充电瞬间的电流比电容器放电瞬间的电流大， 且电容器充电瞬间电源电压和放电瞬间电容器两端电压相等，则有>，所以R1<R2。 学科网（北京）股份有限公司 $$