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）多选

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 2 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]　(多选)关于电容器的充、放电，下列说法中正确的是(　　　) A.充、放电过程中外电路均有电流 B.充、放电过程中外电路均有恒定电流 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 AD 实验创新研析 9 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。 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。 11 (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 12 (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。 14 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 15 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。 一 课时作业 巩固提升 17 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(　　) 2 3 4 5 6 1 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 18 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 19 2.(多选)如图甲所示是电容器充、放电电路，配合电流传感器，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。实验中选用直流8 V电源，电容器选用电解电容器。先使单刀双掷开关S与1端相连，电源向电容器充电，这个过程可瞬间完成。然后把单刀双掷开关S掷向2端，电容器通过电阻R放电，传感器将电流传入计算机，屏幕上显示出放电电流随时间变化的I－t图像，如图乙所示。以下说法正确的是(已知Q＝It)(　　　) 2 3 4 5 6 1 20 A.电解电容器用氧化膜做电介质，由于氧化膜很薄，所以电容较小 B.随着放电过程的进行，该电容器两极板间电压逐渐减小 C.由传感器所记录的该放电电流图像可以估算出该过程中电容器的放电电荷量 D.通过本实验可以估算出该电容器的电容值 答案：BCD 2 3 4 5 6 1 21 电解电容器用氧化膜做电介质，因氧化膜很薄，板间距离很小，所以电容很大，A错误；由U＝可知，因电容器电容不变，放电过程中电容器所带电荷量逐渐减小，所以电容器两极板间电压逐渐减小，B正确；由Q＝It，再结合I－t图像可求出放电过程中电容器的放电电荷量，再由电容器放电瞬间电压与电源电压相等，根据C＝即可求出电容器的电容值，C、D正确。 2 3 4 5 6 1 22 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__________。  2 3 4 5 6 1 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 23 (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。 2 3 4 5 6 1 25 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 26 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 6 1 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”)。  2 3 4 5 6 1 带正电 28 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 B 30 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 32 (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 33 (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 3 4 5 6 1 (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 35 (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。 2 3 4 5 6 1 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 37 (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 39 (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 41 (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。 2 3 4 5 6 1 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 43 (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。 44 (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　 45 (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。 2 3 4 5 6 1 (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 47 (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 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