第1章 8 第2课时 实验：观察电容器的充放电现象-【优化探究】2025-2026学年新教材高中物理必修第三册同步导学案配套PPT课件（教科版）

8　电容器　电容 第2课时　实验:观察电容器的充放电现象 第一章　静电场 课堂检测 素养达标 内容索引 基础实验要求 一、实验原理 1.电容器的充电过程 如图所示,当开关S接1时,电容器接通电源,在静电力的作用下自由电子从正极板经过电源向负极板移动,正极板因　　　电子而带　　电,负极板因　　　电子而带　　电。正、负极板带　　　的正、负电荷。电荷在移动的过程中形成电流。在充电开始时电流比较　　(选填“大”或“小”),以后随着极板上电荷的增多,电流逐渐 　　　(选填“增大”或“减小”),当电容器两极板 间电压等于电源电压时电荷停止定向移动,电流I=0。  失去 正 获得 负 等量 大 减小 2.电容器的放电过程 如图所示,当开关S接2时,电容器通过电阻R放电,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,电容器正、负极板上电荷发生　　　。放电开始时电流较　　(选填“大”或“小”),随着两极板上的电荷量逐渐减小,电路中的电流逐渐　　　(选填“增大”或“减小”),两极板间的电压也逐渐减小到零。  中和 大 减小 二、实验器材 6 V的直流电源、单刀双掷开关、平行板电容器、电流表、电压表、小灯泡、导线若干。 三、实验步骤 1.按图连接好电路。 2.把单刀双掷开关S接在上面,使触点1和触点2连通,观察电容器的充电现象,并将结果记录在表格中。 3.将单刀双掷开关S接在下面,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 灯泡 灯泡的亮度由　　到　　最后　　　(均选填“明”“暗”或 “熄灭”)  电流 表1 电流表1的读数由　　到　　最后为　　(均选填“大”“小”或“零”)  电压表 电压表的读数由　　(选填“大”或“小”)到　　(选填“大”或“小”)最后为　　  明 暗 熄灭 大 小 零 小 大 6 V 实验项目 实验现象 电容器放电 灯泡 灯泡的亮度由　　到　　最后　　　(均选填“明”“暗”或“熄灭”)  电流 表2 电流表2的读数由　　到　　最后为　　(均选填“大” “小”或“零”)  电压表 电压表的读数由　　(选填“大”或“小”)到　　(选填“大”或“小”)最后为　　  明 暗 熄灭 大 小 零 大 小 零 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,在电路中串联一个电阻(小灯泡),以免烧坏电流表。 题型1　电容器充、放电现象 [典例1]　利用如图所示电路做“观察电容器充放电现象”的实验。实验开始时,先将S拨到1,稳定后再将S拨到2。下列说法正确的是(　　) A.S接1时,电流表的指针从零位置逐渐偏转到最大 角度并保持不变 B.S接1时,电压表的指针最初偏转一个最大的角度, 然后逐渐回到零位置 C.S接2时,小灯泡由暗逐渐变亮 D.S接2时,电流表的指针最初偏转一个最大的角度,然后逐渐回到零位置 实验创新研析 D 电容器充电过程中会形成电流,且电容器极板电压增加,当电容器充电完成后,电荷不再定向移动,没有电流,此时电容器两极板间电压等于电源电动势,因此当S接1时,电流表的指针最初偏转一个最大的角度,然后逐渐回到零位置,而电压表的指针从零位置逐渐偏转到最大角度并保持不变,A、B错误;当S接2时,电容器处于放电过程,由电容器充、放电过程中电流随时间变化规律可知,放电电流一开始较大,随后逐渐减小为零,即电流表的指针最初偏转一个最大的角度,然后逐渐回到零位置,故小灯泡由接2之前的熄灭状态变亮,然后逐渐变暗,C错误,D正确。 题型2　电容器充、放电现象的有关计算 [典例2]　(2024·四川内江检测)某同学用电流传感器观察电容器的放电过程。甲图为该实验电路图,其中电源电压恒为6 V。该同学先将开关接1,电容器充电,待电容器充满电再将开关接2,利用传感器记录电容器放电过程,得到该电容器放电过程的I-t图像如图乙。 (1)下列说法正确的是　　　　　。  A.电容器充电的过程中,电子由电源的正极移动到电容器的正极板 B.电容器充、放电的过程中,电路中的电流都不断减小 C.电容器放电的过程中,电容器两极板间的电场强度不断变小 D.电容器放电的过程中,电路中电流不断增大 BC (1)电容器充电的过程中,负电荷由电源的负极移动到电容器的负极板,故A错误;根据图乙可知电容器放电的过程中,电路中的电流不断减小,充电的过程中当电容器充电完成后电路中的电流为零,所以充电过程电流也在逐渐减小,故B正确,D错误;电容器放电的过程中,电容器所带电荷量逐渐减小,则两极板间的电场强度不断变小,故C正确。 (2)根据以上数据估算,电容器在整个放电过程中释放的电荷量为 　 　　　　C(结果保留三位有效数字)。  (2)根据电流的定义式推导得Q=It,所以I-t图像与时间轴所围的面积表示整个放电过程中释放的电荷量,根据横轴与纵轴的数据可知,一个格子所表示的电荷量为q1=0.2×0.2×10-3 C=4×10-5 C,所以释放的电荷量是Q=43×q1=1.72×10-3 C。 1.72×10-3 (3)如果不改变电路其他参数,只增大电阻R,放电时I-t图线与横轴所围成的面积将　　　　　(选填“增大”“不变”或“减小”);放电时间将 　　　　　(选填“变长”“不变”或“变短”)。   (3)根据Q=CU知Q与电阻R无关,如果不改变电路其他参数,只增大电阻R,放电时I-t图像与横轴围成的面积将不变。由于电阻对电流有阻碍作用,所以增大电阻,放电时间将变长。 不变 变长 课堂检测 素养达标 1.(2024·江苏泰州检测)某同学用图甲所示的电路探究电容器的充放电规律,R是高阻值电阻。先让开关S与1端相连,然后把开关S掷向2端。与电流传感器相连接的计算机,记录了这一过程中电流随时间变化的I-t曲线如图乙所示。下列说法正确的是(　　) A.S接在1端时,电容器处于放电过程 B.在形成电流曲线1的过程中,电容器两极板间电压增大 C.在形成电流曲线2的过程中,电容器的电容减小 D.在形成电流曲线2的过程中,电容器两极板间电压增大 答案:B 由题图甲可知,当开关S接在1端时,电容器处于充电过程,故A错误;电流曲线1的过程中,电容器充电,两极板间的电压增大,故B正确;形成电流曲线2的过程中,电容器放电,但电容器的电容与充、放电无关,电容大小不变,故C错误;形成电流曲线2的过程中,电容器放电,两极板间电压减小,故D错误。 2.(2024·四川成都检测)某同学用传感器做“观察电容器的充放电现象”的实验,采用的实验电路如图所示。 (1)在下列图像中,表示以上电容器充电和放电过程中,通过传感器的电流随时间变化的图像为　　　　　,电容器的带电量随时间变化的图像为　　　　　。  A C (1)将开关先与“1”端闭合,电容器与电源相连,进行充电。稍后再将开关与“2”端闭合,电容器放电,充电电流与放电电流方向相反,放电过程中因为极板的电荷量逐渐减小,所以电势差也逐渐减小;充电过程中因为极板的电势差逐渐增大,所以电源电动势和极板的电势逐渐接近,因此电流均逐渐变小,故传感器的电流随时间变化的图像为A。充电过程,电量逐渐增大,且增大得越来越慢,放电过程电量逐渐变下,减小得越来越慢,故电压随时间变化的图像为C。 (2)该同学用同一电路分别给两个不同的电容器充电,电容器的电容C1<C2,充电过程中电容器极板间电压随电容器的带电量变化的图像分别如图中①②所示,其中对应电容为C1的充电过程图像是　　　(选填“①”或“②”)。请说明你的判断依据　　　　　　　。  ① 见解析 (2)用同一电路分别给两个不同的电容器充电,则充电完成后,两电容器两端电压相同,根据C=,U-Q图像中图线的斜率表示电容的倒数,因为电容器的电容C1<C2,所以①对应电容为C1的电容器充电过程。 3.(2024·四川绵阳检测)电流传感器可以像电流表一样测量电流,不同的是,它的反应非常快,可以捕捉到瞬间的电流变化,此外,由于它与计算机相连,能在几秒内画出电流随时间变化的I-t图像。某兴趣小组的同学用如图所示的电路探究电容的充放电过程。 (1)当开关S掷向1,电容器的上极板带　　 　(选填“正电”或“负电”)。  (1)当开关S掷向1,电容器充电,则上极板带正电。 正电 (2)将一块陶瓷片插入电容器两极板之间,则电容器的电容将　　　(选填“增大”“减小”或“不变”)。  (2)将一块陶瓷片插入电容器两极板之间,根据C=,则电容器的电容将增大。 增大 (3)某同学还想观察充放电过程中电容器两端电压的变化情况,他应选择的仪器为　　　。  A.静电计　　 B.验电器　　　C.A、B均可 (3)某同学还想观察充放电过程中电容器两端电压的变化情况,他应选择的仪器为静电计,故选A。 A 4.(2024·重庆高二检测)小明同学想根据学习的知识,估测一个电容器的电容。他从实验室找到6 V的稳压直流电源、单刀双掷开关、电流传感器(与电脑相连,能描绘出电流I随时间t变化的图线)、定值电阻和导线若干。连成如图甲所示的电路。实验过程如下,完成相应的填空。 (1)先使开关S与1端相连,电源给电容器充电(充满)。 (2)开关S掷向2端,电容器放电,此时电路中有短暂的电流,流过电阻R的电流方向为　　 　　(选填“从右向左”或“从左向右”)。  (2)由题图甲可知,充电后电容器上端带正电荷,开关S掷向2端,电容器放电,此时电路中有短暂的电流,电容器充当电源,电流由上极板出发流经电阻回到下极板,故流过电阻R的电流方向为从右向左。 从右向左 (3)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曲线如图乙所示。 (4)根据图像估算出电容器在全部放电过程中释放的电荷量为 　　　 　C。  2.4×10-3(2.3×10-3~2.5×10-3均正确) (4)将横坐标t分成许多很小的时间间隔Δt,在这些很小的时间间隔里,放电电流I可以视为不变,则I·Δt为这段时间内的电量,所以电容器所释放的电荷量在数值上等于I-t图像与坐标轴所包围的面积,由题图乙可知一个格子的电荷量为q0=0.4×0.2×10-3 C=8×10-5 C,大于半格算一格,小于半格舍去,题图乙中图像下方所包含的格子数为n=30,则电容器在全部放电过程中释放的电荷量Q=nq0=2.4×10-3 C。 (5)根据前面的信息估算出该电容器的电容为 　 　　　F。(所有结果均保留两位有效数字)  (5)根据电容的定义式C=,可得C=4.0×10-4 F。 4.0×10-4(3.9×10-4~4.1×10-4均正确) $$