第10章 4 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（人教版）单选

第十章　静电场中的能量 4　电容器的电容 第2课时　实验：观察电容器的充、放电现象 课时作业 巩固提升 内容索引 一、实验目的 1.通过观察，了解电容器在充电和放电的过程中，两极板间电压和电路中电流的变化。 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。 基础实验要求 3 二、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，正极板因失去电子而带正电，负极板因获得电子而带负电。正、负极板带等量的正、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大，以后随着极板上电荷量的增多，电流逐渐减小，当电容器两极板间电压等于电源电压时电荷停止移动，电流I＝0。 4 2.电容器的放电过程 如图所示，当开关S接2时，将电容器的两极板直接用导线连接起来，电容器正、负极板上电荷发生中和。在电子移动过程中，形成电流，放电开始时电流较大，随着两极板上的电荷量逐渐减小，电路中的电流逐渐减小，两极板间的电压也逐渐减小到零。 5 三、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、定值电阻、导线。 四、实验步骤 1.按图连接好电路。 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。 6 4.记录好实验结果，关闭电源。 实验记录和分析： 实验项目 实验现象 电容器充电 电流表 电流表的读数由大到小最后为零 电压表 电压表的读数由小到大最后为6 V 电容器放电 电流表 电流表的读数由大到小最后为零 电压表 电压表的读数由大到小最后为零 7 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，以免烧坏电流表。 8 题型1　对电容器及其充、放电的认识 [例1]　 在如图所示实验中,关于平行板电容器的充、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,平行板电容器充电,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,平行板电容器充电,且上极板带负电 A 实验创新研析 9 开关接1时,平行板电容器充电,上极板与电源正极相连,故上极板带正电,A对,B错;开关接2时,平行板电容器放电,放电结束后上、下极板均不带电,C、D错。 题型2　电容器充、放电现象的定性分析 [例2]　在“观察电容器的充、放电现象”实验中,所用器材如下:电压为8 V的直流电源、电容器、电阻箱、定值电阻、小灯泡、电流表、秒表、单刀双掷开关以及导线若干。 (1)某同学设计的实验电路如图(a)所示。 (2)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”,已知流过电路的电荷量与电流之间满足Q=It)。  R2　 电荷量 (2)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U=IR,由图像可知开始充电时实线电流较小,故电路中的电阻较大,因此电阻箱阻值为R2;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。 题型3　电容器充、放电现象的定量计算 [例3]　电流传感器可以像电流表一样测量电流,不同的是其反应比较灵敏,且可以和计算机相连,能画出电流随时间的变化图像。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6 V。 先使开关S与1接通,待充电完成后,再把开关S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,结果保留三位有效数字)  3.04×10-3　 507 根据Q=It可知,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,由大于半格算一格、小于半格舍去的原则可得图像所包含的格子个数为38,所以释放的电荷量Q= 8×10-5 C×38=3.04×10-3 C。根据电容器的电容C=可知,C= F ≈5.07×10-4 F=507 μF。 三 课时作业 巩固提升 2 3 4 5 6 1 1.如图所示,闭合开关,电源对电容器充电。充电结束后,断开开关,用绝缘手柄增大电容器两极板之间的距离,则下列说法正确的是(　　) A.充电过程中,有从A到B的电流通过电阻 B.充电过程中,有从B到A的电流通过电阻 C.断开开关后,电容器上极板带负电 D.断开开关后,电容器放电,极板上不再带电 B 电源对电容器充电时,电路中有逆时针方向的电流,即有从B到A的电流通过电阻,使上、下极板分别带等量的正、负电荷;断开开关,电容器与电源断开,回路处在断路状态,所以电容器带电荷量不变,电容器上极板仍带正电,因此B项正确。 2 3 4 5 6 1 2.(2024·江苏南通阶段练习)如图所示,单刀双掷开关S原来跟“2”相接,从t=0开始,开关改接“1”,一段时间后,把开关改接“2”,则流过电路中P点的电流I和电容器两极板间的电势差UAB随时间变化的图像可能正确的是 (　　) 2 3 4 5 6 1 C 从t=0开始,开关接“1”,电容器开始充电,由于电容器带 电荷量越来越多,充电电流越来越小,最后减小到0;把 开关改接“2”后,电容器通过电阻R放电,随电容器带电 荷量越来越小,电流也会越来越小,最后电流减小到零, 放电过程中电流的方向与充电过程中相反,因此A、B错误。从t=0开始,开关接“1”,电容器开始充电,由于充电电流越来越小,电容器两板间的电压增加得越来越慢,最后达到稳定;把开关改接“2”后电容器通过R放电,由于放电电流越来越小,电容器两板间的电压减小得越来越慢,但整个过程中UAB始终为正值,最后为0,C正确,D错误。 2 3 4 5 6 1 3.在“观察电容器的充、放电现象”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 2 3 4 5 6 1 C (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,则电容器电压为5 V时,电容是2 200 μF,C正确,D错误。 2 3 4 5 6 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 2 3 4 5 6 1 D ②电容器充电完毕,断开开关,此时如图2所示电路图中电容器上极板 　　　　　(选填“带正电”“带负电”或“不带电”)。  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,电容器两极板间电势差为U,电容器的电容为C。下面关于I、Q、U、C随时间的变化的图像,正确的是　　　　　。  2 3 4 5 6 1 带正电 B (2)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 6 1 ③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,可知电容器的电容保持不变,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 6 1 4.(2024·重庆九龙坡区期末)某学校高二年级学生在“用传感器观察电容器的充、放电过程”实验中,按图甲所示连接电路。单刀双掷开关S先跟1相接,一段时间电路稳定后把开关再改接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,以开关改接2为计时起点得到的I-t图像如图乙所示。 2 3 4 5 6 1 (1)开关S改接2后,电容器进行的是　　　(选填“充电”或“放电”)过程。  2 3 4 5 6 1 放电 (1)单刀双掷开关S先跟1相接,此时电容器与电源连接,电容器处于充电状态,一段时间电路稳定后把开关再改接2,电容器处于放电状态。 (2)上述过程中,通过电阻R的电荷量约为　 　　C(已知Q=It,结果保留两位有效数字)。  2 3 4 5 6 1 3.4×10-3 (2)根据Q=It可知,I-t图像与坐标轴所围成的总面积表示电容器极板所带电荷量,根据题图乙可知,电容器极板所带电荷量,即通过电阻R的电荷量为Q=42×0.2×10-3×0.4 C≈3.4×10-3 C。 5.(2024·山西长治名校联考)在“观察电容器的充、放电现象”实验中: (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,记录电流随时间的变化的情况;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)。  2 3 4 5 6 1 <　 电荷量 (1)曲线Ⅰ相对于曲线Ⅱ初始充电电流大,电阻阻碍作用小,因此电阻箱阻值小,因此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 6 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 2 3 4 5 6 1 C (2)电容器充电完成后,开关S再与“2”端相接,电容器将放电,随着极板带电荷量的减小,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 6 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”)。  2 3 4 5 6 1 越慢 (3)定值电阻R0越大,电阻阻碍作用越大,因此小灯泡亮度变化越慢。 6.利用电流传感器研究电容器的放电过程的电路如图甲所示,其中电源电压为8 V。先使开关S与1相连,电容器充电结束后把开关S掷向2,电容器通过电阻箱R放电。传感器将电流信息传入计算机,屏幕上显示出电流I随时间t变化的曲线如图乙所示。 2 3 4 5 6 1 (1)t=2 s时,电容器的a极板带　　　　　(选填“正”或“负”)电。   2 3 4 5 6 1 正 (1)t=2 s时,电容器还在放电,a极板带正电。 (2)已知Q=It,图中画出了对应较短时间Δt的狭长矩形,该矩形面积的物理意义为  　。  2 3 4 5 6 1 电容器在Δt时间内放出的电荷量 (2)图中画出了对应较短时间的狭长矩形,根据Q=It可知,该矩形面积的物理意义为电容器在Δt时间内放出的电荷量。 (3)一同学在深入研究的过程中发现:当改变一个或几个物理量时,I-t图像会发生有规律的变化,图中的虚线示意了3种可能的变化情形。如果只增大电阻R,I-t图像的变化应该是　　　　　;如果只增大电容C,I-t图像的变化应该是　　　　　。(填写相应选项的字母)   2 3 4 5 6 1 A　 B (3)如果只增大电阻R,则电容器放电的最大电流会减小,由于放出的电荷量不变,即I-t图像与坐标轴所围的面积不变,则I-t图像的变化应该是选项A;如果只增大电容C,则电容器带电荷量增加,I-t图像与坐标轴所围的面积变大,最大电流不变,I-t图像的变化应该是选项B。 2 3 4 5 6 1 $$