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配套课件（人教版2019）

第2课时　实验：观察电容器的充、放电现象 　　　　 第十章 4．电容器的电容 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。 素养目标 探究过程 梳理要点 1 合作交流 应用拓展 2 课时测评 3 内容索引 2 3 4 5 1 探究过程 梳理要点 返回 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。 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 返回 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。 合作交流 应用拓展 返回 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。 例1 R2　 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(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)。 电荷量 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。 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 √ √ 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 √ 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) 例2 3.20×10-3(3.04×10-3～3.28×10-3均可)　 400(380～410均可) 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 ＝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。 (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； 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。 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)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。 0.15 ＜ 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。 返回 课 时 测 评 返回 1．(10分)(2024·山西长治市名校联考)“观察电容器的充放电现象”的实验中 2 3 4 5 1 (1)某同学设计的实验电路如图甲所示。调节电阻箱R＝R0，将单刀双掷开关S与“1”端相接，记录电流随时间变化的情况；改变电阻箱的阻值，开关S接通“2”放电后，再接通“1”，同样记录电流随时间变化的情况。然后将实验结果在同一I-t坐标系中绘出，得到如图乙所示的曲线，其中Ⅱ为R＝R0对应的曲线，则曲线Ⅰ对应的R_____(选填“>”“<”或“＝”)R0；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”“电荷量”或“电容器存储的电能”，已知q＝It)。 <　 电荷量 2 3 4 5 1 曲线Ⅰ相对于曲线Ⅱ初始充电电流大，电阻的阻碍作用小，因此电阻箱的阻值小，R小于R0； 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。 2 3 4 5 1 (2)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______。 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 D．亮度逐渐增大，然后逐渐减小至熄灭 C 电容器充电完成后，开关S再与“2”端相接，电容器将放电，随着所带电荷量的减小，电容器两端电压减小，电流减小，最终放电完成，电流为0，可知相接后小灯泡亮度变化情况可能是迅速变亮，然后亮度逐渐减小至熄灭。故选C。 2 3 4 5 1 (3)电容器充电完成后，开关S再与“2”端相接，根据(1)的结论进行类比，定值电阻R0越大，小灯泡亮度变化情况是_______(选填“越快”“越慢”或“不变”)。 越慢 定值电阻R0越大，电阻的阻碍作用越大，因此小灯泡亮度变化越慢。 2 3 4 5 1 2．(10分)(2023·浙江省温州市期末)在“观察电容器的充、放电现象”的实验中 (1)用如图1所示的电容器做实验，电容器外壳上面标着“2 200 μF　10 V”，下列说法正确的是______； A．电容器的击穿电压为10 V B．电压为10 V时，电容器才正常工作 C．电容器电压为5 V时，电容是2 200 μF D．电容器电压为5 V时，电容是1 100 μF C 2 3 4 5 1 10 V是电容器的额定电压，不是电容器的击穿电压， A错误；10 V是电容器的额定电压，电压低于10 V 时，电容器也能正常工作，B错误；电容与电容器所加电压无关，只与自身构造有关，可知电容器电压为5 V时，电容是2 200 μF，C正确，D错误。 2 3 4 5 1 (2)把干电池E、电阻箱R、电容器C、电流表G、单刀双掷开关S按图2电路图连成实验电路，如图3所示，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 D　 2 3 4 5 1 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 3 4 5 1 ②电容器充电完毕，断开开关，此时如图2所示的电路图中电容器上极板________(选填“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。 2 3 4 5 1 ③然后将开关S接2，电容器放电。在放电过程中，电路中电流的大小为I，电容器所带电荷量为Q，电容器两极板电势差为U，电容器的电容为C。下面关于I、Q、U、C随时间变化的图像，正确的是________。 B 2 3 4 5 1 放电过程中，电容与电容器所带电荷量和电容器极板间电压没有关系，可知电容器电容保持不变，D错误；放电过程中，电容器所带电荷量逐渐减小，根据电容定义式C＝ 可知电容器极板间电压逐渐减小，则放电电流逐渐减小，电容器电荷量减小得越来越慢，Q -t图像切线斜率的绝对值逐渐减小，B正确，A、C错误。 2 3 4 5 1 3．(10分)(2024·河北沧州市高二上学 期期末)某同学用如图甲所示的电路 研究电容器的充放电规律，直流电源 的电动势为6 V。 (1)将单向双掷开关合向“1”，电流传 感器记录电容器充电电流随时间变化规律如图乙所示，已知Q＝It。则图乙中图线与坐标轴所围的面积的物理意义为________________________； 充电后电容器的带电量　 根据Q＝It可知，图线与坐标轴所围的面积的物理意义为充电后电容器的带电量。 2 3 4 5 1 (2)充电结束时电容器两端的电压为U＝____V，结合图像面积可知，电容器的电容为C＝_________F (保留2位有效数字)； 6　 5.7×10-4　 充电结束时电容器两端的电压等于电源两端电压，为U＝6 V 图线与坐标轴所围的格数为43个，则充电后电容器的带电量为Q＝43×0.2×10-3×0.4 C＝3.44×10-3 C 则电容器的电容C＝ ≈5.7×10-4 F。 2 3 4 5 1 (3)将单向双掷开关合向“2”，得到放电电流随时间变化的图像，从图像上得到放电电流的最大值为I1；将R调大，将开关合向“1”后再合向“2”再次得到的放电电流随时间变化的图像上放电电流的最大值为I2；则I1_____(选填“>”“<”或“＝”)I2。 > 根据im＝ 可知，R变大，则放电电流的最大值减小，则有I1>I2。 2 3 4 5 1 4．(10分)某小组同学用如图甲所示 的电路，观察电容器的放电现象。 他先按图甲所示电路连接好实验电 路，然后进行如下操作：①将开关 S接到1，对电容器充电；②将开关 S接到2，同时开始计时，利用电流传感器，可以捕捉瞬间的电流变化，并通过计算机画出电流随时间变化的图像即I-t图像，如图乙所示；③根据I-t图像估算出该电容器初始时所带的电荷量Q。(已知q＝It) (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。(保留3位有效数字) 7.75×10-3　 2 3 4 5 1 由q＝It知，所求电荷量为曲线与坐标轴所围格数的面积，则利用数格子的方法估算出电容器初始放电时的电荷量为Q＝31×0.5×10-3 ×0.5 C＝7.75×10-3 C。 2 3 4 5 1 (2)断开开关后若换用阻值较大的电阻，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 如果只增大电阻R，则电容器放电的最大电流会减小，由于放电电量不变，即I-t图像的“面积”不变，则放电时间变长。故选A。 2 3 4 5 1 5．(10分)(2023·江苏南京月考)如图甲是观察电容器的充、放电现象的实验装置。电源输出电压恒为8 V，S是单刀双掷开关，G为灵敏电流计，C为平行板电容器。 (1)当开关S接____(选填“1”或“2”)时平行板电容器放电，流经G表的电流方向与充电时______(选填“相同”或“相反”)，此过程中电容器的电容将_____(选填“增大”“减小”或“不变”)。 2 相反 不变 2 3 4 5 1 由题图甲可知，电容器放电时接电阻，故开关S接2。 电容器充电时，上极板接电源正极，则电容器上极 板带正电，正电荷流入上极板，放电时，正电荷从 上极板流出，故流经G表的电流方向与充电时相反。 根据公式C＝ 可知，电容器的电容与极板上的电荷量和极板间电压无关，由电容器本身所决定，故此过程中电容器的电容将不变。 2 3 4 5 1 (2)将G表换成电流传感器，电容器充电完毕后再放电，其放电电流随时间变化图像如图乙所示，由图可估算出电容器开始放电时所带的电荷量Q＝__________C，并计算电容器的电容C＝_________F。 3.36×10-3 4.2×10-4 电容器放电时，根据公式q＝It可知，在I-t图像中，图线与横轴围成的面积表示通过电荷量的多少，由题图乙可知，每一个小格的面积表示通过的电荷量为q＝0.2×10-3×0.4 C＝8×10-5 C，图线与横轴围成的面积为42个小格，则电容器开始放电时所带的电荷量Q＝42q＝3.36×10-3 C。 根据题意及题图甲可知，电容器充电结束时，两极板间电压为8 V，则电容器的电容为C＝ ＝4.2×10-4 F。 2 3 4 5 1 (3)如果不改变电路其他参数，只减小电阻R，放电时I-t曲线与横轴所围成的面积将_______(选填“增大”“不变”或“变小”)，放电时间将_______ (选填“变长”“不变”或“变短”)，简要说明原因___________ ____________________________________________________________________________。 不变 变短 不改变电路其他参数，只减小电阻，对电流的阻碍作用减小，放电电流变大，则放电时间变短 根据Q＝CU可知，如果不改变电路其他参数，只减小电 阻R，极板上的电荷量不变，则I-t图像中，图线与横轴 围成的面积不变。 不改变电路其他参数，只减小电阻，对电流的阻碍作用 减小，放电电流变大，则放电时间变短。 返回 2 3 4 5 1 谢 谢 观 看 ！ 第十章 静电场中的能量 2 3 4 5 1 C＝可得C＝ 该电容器的电容为C＝＝≈0.15 F。 >， $$