内容正文:
[典例6] 如图所示,在E=103 V/m
的水平向左的匀强电场中,有一光
滑半圆形绝缘轨道竖直放置,轨道
与一水平绝缘轨道 MN 连接,半圆轨道所在竖直
平面与电场线平行,其半径R=40cm,一带正电荷
q=10—4C的小滑块质量为m=40g,与水平轨道间
的动摩擦因数μ=0.2,取g=10m/s
2,问:
(1)要使小滑块恰好运动到圆轨道的最高点C,滑
块应在水平轨道上离N 点多远处释放?
(2)这样释放的滑块通过P 点时对轨道压力是多
大? (P 为半圆轨道中点)
解析:(1)设滑块与 N 点的距离为L,
由动能定理可得,
qEL-μmgL-mg2R=
1
2mv
2-0,
小滑块在C 点时,mg=mv
2
R
,
解得v=2m/s,L=20m.
(2)滑块到达 P 点时,对全过程应用动能定理得,
qE(L+R)-μmgL-mgR=
1
2mv
2
p-0,
在P 点,FN-qE=m
v2P
R
,解得FN=1.5N,
由牛顿第三定律可得,滑块通过P 点时对轨道压力
大小是1.5N.
答案:(1)20m (2)1.5N
实验十 观察电容器的充、放电现象
学生用书 P173
实验
目的→
1.知道电容器的构造.
2.根据电路图正确连接实物图,认真观察电容器充放
电的实验现象.
实验
原理→
1.电容器的充电过程:
当S接1时,电容器接通电源,与电源正极相接,电容
器极板的自由电子在电场力的作用下将经过电源移
到与电源负极相接的下极板,正极由于失去负电荷而
带正电,负极由于获得负电荷而带负电,正、负极板所
带电荷大小相等,符号相反,如图甲所示.电荷定向移
动形成电流,由于同性电荷的排斥作用,所以开始电
流最大,以后逐渐减小,在电荷移动过程中,电容器极
板储存的电荷不断增加,电容器两极板间电压U等于
电源电压E 时电荷停止移动,电流I=0.
2.电容器的放电过程:
当S接2时,电容器的两极板用导线连接起来,电容
器C正极板上的正电荷与负极板上的负电荷中和,两
极板的电荷量逐渐减少,表现为电流逐渐减小,电压
也逐渐减小为零(如图乙所示).
实验
器材→
电源、单刀双掷开关、平行板电容器、电
流表和电压表.
实验
步骤→
1.调节直流可调电源,输出为
6V,并用多用电表校准.
2.关闭电源开关,正确连接实
物图,电路图如图所示.
3.打开电源,把双掷开关S打到上面,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
在数据处理的表格中.
4.把双掷开关S打到下面,使触点3和触点2连通,观
察电容器的放电现象,并将结果记录在数据处理的
表格中.
5.记录好实验结果,关闭电源.
数据处理
实验
项目
实验现象
电容
器
充电
灯泡 亮度由明到暗最后熄灭
安培表1 读数由大到小最后为零
伏特表 读数由小到大最后为6V
电容
器
放电
灯泡 亮度由明到暗最后熄灭
安培表2 读数由大到小最后为零
伏特表 读数由大到小最后为零
注意事项
1.电流表要选用小量程的灵敏电流表.
2.要选择大容量的电容器.
3.实验过程中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,避免烧坏电流表
332
第九章 静电场及其应用、静电场中的能量
学生用书 P173
热点一 教材原型实验
[典例1] 把电容器、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
容器通过电阻R 放电.与电流传感器相连接的计算
机(图中未画出)可记录电流随时间变化的IGt图
像,规定逆时针的电流流向为正.
图乙是某次实验中与电流传感器相连接的计算机所
记录的IGt图像,可判断出该图像记录的是电容器
的 过程(选填“充电”或“放电”).请你用语
言描述在此过程中电流随时间如何变化:
.
[解析] 由图乙所示IGt图像可知,电流为正值,则
电流流向沿逆时针方向,与电源提供的电流方向一
致,即该图像记录的是电容器的充电过程,电容器
所带电荷量逐渐增加.由图像可知,在此过程中,电
流随时间的增加逐渐减小到零,且电流减小得越来
越慢.
[答案] 充电 电流随时间的增加逐渐减小到零
[典例2] (2023新课标卷,22)在“观察电容器的
充、放电现象”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.
(1)用多用电表的电压挡检测电池的电压.检测时,
红表笔应该与电池的 (填“正极”或“负
极”)接触.
(2)某同学设计的实验电路如图(a)所示.先将电阻
箱的阻值调为R1,将单刀双掷开关 S与“1”端相
接,记录电流随时间的变化.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 .(填正确答案标号)
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
(3)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 (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 (填“电压”或“电
荷量”).
1.第(2)问中“开关S再与‘2’端相连”,电容器通过
“2”端立即放电,灯泡迅速变亮,但是放电电流会
快速减小至零.灯光亮度逐渐减小至熄灭.
2.第(3)问中“将电阻箱的阻值调为R2(R2>R1),
再次将开关S与‘1’端相连”,电容器再次充电,
充电开始瞬时的电流大小由公式I= ER+r
决定,
故电阻箱的阻值调 为R2 时充电开始瞬时的电
流较小.
[解析] (1)多用电表应满足电流“红进黑出”,因
此红表笔与电源的正极相连;(2)电容器放电过程
中,电流由大逐渐变小,则小灯泡迅速变亮,然后亮
度逐渐减小至熄灭;(3)实线表示充电慢,用时长,
故接入的电阻应该为大的电阻,即R2,因此实线表
示接入电阻为R2;根据公式I=
Q
t
,则IGt图像的
线下面积表示电荷量.
[答案] (1)正极 (2)C (3)R2 电荷量
432
高考总复习 物理
热点二 拓展创新实验
[典例3] (2025山东青岛期末)在“用传感器观察
电容器的充电”实验中,电路图如图甲所示.一位同
学使用的电源电动势E 为8.0V,测得充满电的电
容器放电的IGt图像如图乙所示.
(1)IGt图线与两坐标轴包围面积表示的物理意义
是 ;若按“数格子”(等于或多于半格算一
格,小于半格舍去)法计算,则电容器在全部放电过
程中释放的电荷量约为 C(结果保留两位
有效数字).
(2)根据以上数据估算电容器的电容值为
F(结果保留两位有效数字).
(3)如果将电阻R 换成一个阻值更大的电阻,则放
电过程释放的电荷量 (选填“变多”“不变”
或“变少”).
[解析] (1)电容器的放电图像是一条逐渐下降的
曲线:而q=It,由微元法可知,IGt图线与坐标轴围
成的面积表示放电过程中放出的总的电荷量.图线
下约有30格,所以电容器在全部放电过程中释放的电
荷量约为Q=30×0.0002×0.4C=2.4×10-3C.
(2)电容器充满电后所带的电荷量Q=2.4×10-3C,
而所加电压U=E=8.0V,所以电容器的电容值
C=QU=
2.4×10-3
8.0 F=3.0×10
-4F.
(3)由于电容器充满电后所带的电荷量一定,所有
电荷量将通过电阻释放,若将电阻R 换成一个阻值
更大的电阻,对应的IGt图像更加平缓些,但释放电
荷的总量不变.
[答案] (1)放电过程中放出的总的电荷量
2.4×10-3 (2)3.0×10-4 (3)不变
[典例4] (2023山东卷,14)电容储能已经在电动
汽车、风、光发电、脉冲电源等方面得到广泛应用.
某同学设计图甲所示电路,探究不同电压下电容器
的充、放电过程,器材如下:
电容器C(额定电压10V,电容标识不清);
电源E(电动势12V,内阻不计);
电阻箱R1(阻值0~99999.9Ω);
滑动变阻器R2(最大阻值20Ω,额定电流2A);
电压表 V(量程15V,内阻很大);
发光二极管D1、D2,开关S1、S2,电流传感器,计算
机,导线若干.
回答以下问题:
(1)按照图甲连接电路,闭合开关S1,若要升高电容器
充电电压,滑动变阻器滑片应向 端滑动(填
“a”或“b”).
(2)调节滑动变阻器滑片位置,电压表表盘如图乙
所示,示数为 V(保留1位小数).
(3)继续调节滑动变阻器滑片位置,电压表示数为
8.0V时,开关S2 掷向1,得到电容器充电过程的
IGt图像,如图丙所示.借鉴“用油膜法估测油酸分子的
大小”实验中估算油膜面积的方法,根据图像可估算出
充电结束后,电容器存储的电荷量为 C(结果
保留2位有效数字).
(4)本电路中所使用电容器的电容约为
F(结果保留2位有效数字).
(5)电容器充电后,将开关S2 掷向2,发光二极管
(填“D1”或“D2”)闪光.
1.根据IGt图像,通过数小方格的个数(多于半格
的记为1,少于半格的舍去)方法计算充电结束
后,电容器存储的电荷量.
2.由电容器的定义式C=QU
计算电容C.
[解析] (1)滑动变阻器分压式接法,故向b端滑
动充电电压升高;
(2)量程15V,每个小格0.5V,故6.5V;
(3)IGt 图像所围的面积,等于电容器存储的电荷
量,38 个 小 格,故 电 容 器 存 储 的 电 荷 量 为 3.8×
10-3F;
(4)由电容的定义式C=QU
得:C=4.4×10-4C;
(5)开关S2 掷向2,电容器放电,故 D1 闪光.
[答案] (1)b (2)6.5 (3)3.8×10-3
(4)4.4×10-4 (5)D1
532
第九章 静电场及其应用、静电场中的能量
学生用书 P175
静电现象和电容器在生产、生活和科技中有着广泛的应用,引导考生认识科学技术与社会环境的关系,体
现科学态度与责任的素心素养.
静电在生产、生活、科技中的应用
静电现象在生活中随处可见,随着人们对静电的
认知逐渐深入,人们开始科学对待静电.学生要关注
日常生活中常见的静电现象,形成用物理知识解释生
活现象的习惯,知道静电在生活中的应用及防止,培
养学以致用的责任感.
[典例1] 人们行走时鞋子和地板
摩擦会产生静电,带电的离子会
在地板表面吸引空气中的灰尘,
对电脑机房、电子厂房等单位造
成一定的影响.防静电地板又叫耗散静电地板,如
图所示,当它接地时,使电荷能够耗散.在施工中,
防静电地板下面要铺设铝箔,铝箔要连接到地下预
埋导体.下列关于防静电地板的说法正确的是
( )
A.地板下面铺设铝箔的作用是防潮
B.地板必须是绝缘体材料
C.地板必须是导电的,如地板中含有导电纤维
D.只要地板下面铺设铝箔,地板材料无所谓绝缘
体或导体
[解析] C [在施工中,防静电地板下面要铺设铝
箔,铝箔要连接到地下预埋导体就是为了将地板上
的静电导走,所以防静电地板必须是导电的,如地
板中含有导电纤维,故选项C正确,A、B、D错误.]
[典例2] 在维护和检修高压供电线路时,为了不影
响城市用电,电工经常要在高压线上带电作业.为
了保障电工的安全,电工全身要穿上含金属丝线编
织的衣服(如图甲所示).图乙中电工站在高压直流
输电线的A 供电线上作业,其头顶上方有B 供电
线,B 供电线的电势高于A 供电线的电势.虚线表
示电工周围某一截面上的等差等势面,c、d、e、f 是
不同等势面上的四个点,以下说法正确的是 ( )
A.在c、d、e、f四点中,c点的场强最大
B.在c、d、e、f四点中,f点的电势最高
C.若将某电子由c移到f,其电势能将增大
D.将某电子在d点由静止释放,它会向e点所在等
势面运动
[解析] C [根据等差等势面的疏密,可知在c、
d、e、f四点中,f 点的场强最大,故 A 错误;沿着电
场线方向电势降低,因B 供电线的电势高于A 供
电线的电势,则在c、d、e、f 四点中,c点的电势最
高,故B错误;若将某电子由c移到f,即从高电势
处移到低电势处,电子带负电荷,其电势能将增大,
故C正确;将某电子在d 点由静止释放,在电场力
作用下,它会向c点所在等势面运动,故 D错误.]
电容器在生产、生活、科技中的应用
(1)电容器传感器是自动控制设备中不可缺少的元
件,已经渗透到宇宙开发、环境保护、交通运输以
及家庭生活等各种领域.
(2)电容式传感器是根据电容器的动态变化原理工作
的,在测量中有着重要的应用.解题的关键在于抓
住所测物理量与电容器中电容的联系.
[典例3] (多选)(2024山东威海期末)我国成功
研制了“3.0V12000F”石墨烯超级电容器.超级
电容器充电时,电极表面将吸引周围电解质溶液中
的异性离子,使这些离子附着于电极表面上形成相
距小于0.5nm、相互绝缘的等量异种电荷层,石墨
烯电极结构使得该异种电荷层的面积成万倍增加.
下列有关说法正确的是 ( )
A.该电容器充满电后的带电荷量为36000C
B.该电容器最多能储存108000J的电能
C.超级电容器电容大的原因是其有效正对面积大、
板间距离小
D.当该电容器放电至两端电压为1.5V 时,其电
容变为6000F
[解析] AC [根据超级电容器的规格“3.0V
12000F”,结合C=QU
可知该电容器充满电后的带
电荷量Q=CU=12000×3.0C=36000C,选项A
正确;电容器是一种储能元件,该电容器充满电最多能
储存的电能为W=12CU
2=12×12000×3.0
2J=
54000J,选项B错误;借助平行板电容器电容的决
定式C=
εrS
4πkd
分析可知,超级电容器电容大的原因
是其有效正对面积大,板间距离小,选项C正确;电
容器的电容只与电容器本身有关,与电容器带电荷
量和两极板间电压无关,选项 D错误.]
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高考总复习 物理