第2章 第5节 第1课时 观察电容器的充、放电现象（Word教参）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理必修第三册（鲁科版）

第5节　科学探究：电容器 第1课时 观察电容器的充、放电现象(实验课基于经典科学探究) 　　　　　　　　　　　　　　　　 一、实验装置 二、实验原理 　　实验电路如图所示。当开关拨到位置“1”时，电源E对电容器充电；当开关拨到位置“2”时，电容器放电。利用电流计和电压表观察电容器在充电和放电过程中，通过电路的电流大小和方向的变化，以及电容器两极板间电压的变化，进而判断电容器两极板储存电荷量的变化。 一、实验步骤 1.连接电路：根据实验电路图连接电路。 2.观察充电过程：将单刀双掷开关拨到位置“1”，观察电容器在充电过程中，电流计和电压表的指针偏转情况。 3.观察放电过程：将单刀双掷开关拨到位置“2”，观察电容器在放电过程中，电流计和电压表的指针偏转情况。 4.记录好实验结果，关闭电源。 二、数据处理 1.记录电流计和电压表的指针偏转情况，填在下面表格中。 单刀双掷开关 的位置 电流计指针 偏转情况 电压表指针 偏转情况 位置“1” 位置“2” 2.实验结论 电容器充电时，电容器两端电压增大，电荷量增加；电容器放电时，电容器两端电压减小，电荷量减小。充、放电结束后，电路中无电流。 三、注意事项 1.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，以免烧坏电流计。 [关键点反思] 1.电容器充电时，两极板上的电荷量如何变化? 提示：充电时，两极板上的电荷量增加。 2.电容器放电时，能量如何转化? 提示：放电时，电容器两极板间的电场能转化为其他形式的能量。 3.如图所示，为一个电容器放电时的I-t图像，请思考图线与t轴所围“面积”有什么物理意义? 提示：表示电容器放电过程中释放的电荷量。 考法(一)　实验基本操作 　　[例1]　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的变化如图(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”)。  [解析]　(1)多用电表红表笔流入电流，黑表笔流出电流，故红表笔应该与电池的正极接触。 (2)电容器充电完成后，两极板带电量较多，电势差较大，当开关S与“2”端相接，回路立即形成电流，小灯泡迅速变亮；随后两极板带电量逐渐变少，电势差变小，流过灯泡的电流减小，直至两极板电荷量为零，小灯泡熄灭，故选C。 (3)开始充电时两极板不带电，两极板电势差为零，设电源内阻为r，则开始充电时有E=I，由图像(b)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；图像的物理意义为充电过程中电流随时间的变化图线，故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。 [答案]　(1)正极　(2)C　(3)R2　电荷量 考法(二)　数据处理和实验结论 　　[例2]　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可以捕捉瞬时的电流变化，它与计算机相连，可显示电流随时间变化的关系图像。图甲中直流电源提供的电压为U=8 V，充电前电容器带电量为零。先使S与“1”相连，电源向电容器充电。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曲线如图乙所示。 (1)在电容器充电与放电过程中，通过电阻R0的电流方向　　　(选填“相同”或“相反”)；  (2)图像阴影为I-t曲线与对应时间轴所围成的面积，乙图中阴影部分的面积S1　　　S2(选填“>”“<”或“=”)；  (3)已知S1=1 233 mA·s，则该电容器的电容值为　　　 F(保留两位有效数字)；  (4)由甲、乙两图可判断阻值R1　　　R2(选填“>”或“<”)。  [解析]　(1)由题图甲可知，电容器充电时通过电阻R0的电流方向向左，放电时通过R0的电流方向向右，故在电容器充电与放电过程中，通过电阻R0的电流方向相反。 (2)I-t曲线与对应时间轴所围成的面积表示电荷量，充电和放电过程电荷量相等，所以题图乙中阴影部分的面积S1=S2。 (3)电源提供的电压为8 V，则该电容器的电容值为C===≈0.15 F。 (4)由题图乙可知，充电时的最大电流大于放电时的最大电流，根据欧姆定律，则可知R1<R2。 [答案]　(1)相反　(2)=　(3)0.15　(4)< 　　[微点拨] (1)S先接“1”后接“2”，说明电容器先充电后放电。 (2)电容器的电容与电荷量的多少无关。 (3)I-t图像与时间轴所围成的面积表示充、放电的电荷量。 (4)充电时间足够长，电容器极板间的电压最大为电源电压。 1.(2024·甘肃高考)一平行板电容器充放电电路如图所示。开关S接1，电源E给电容器C充电；开关S接2，电容器C对电阻R放电。下列说法正确的是 (　　) A.充电过程中，电容器两极板间电势差增加，充电电流增加 B.充电过程中，电容器的上极板带正电荷，流过电阻R的电流由M点流向N点 C.放电过程中，电容器两极板间电势差减小，放电电流减小 D.放电过程中，电容器的上极板带负电荷，流过电阻R的电流由N点流向M点 解析：选C　根据电容C=，充电过程中，随着电容器所带电荷量的增加，电容器两极板间电势差增加，充电电流减小，故A错误；根据题图可知，充电过程中，电容器的上极板带正电荷，流过电阻R的电流由N点流向M点，故B错误；放电过程中，随着电容器所带电荷量的减小，电容器两极板间电势差减小，放电电流减小，故C正确；根据题图可知，放电过程中，电容器的上极板带正电荷，流过电阻R的电流由M点流向N点，故D错误。 2.如图所示是观察电容器的充、放电现象的实验电路。E为电源，S为单刀双掷开关，G为灵敏电流计，C为平行板电容器，R为电阻箱。 (1)当开关S接　　　　(选填“1”或“2”)时，平行板电容器充电；  (2)电容器充电完毕，断开开关，此时电路图中电容器上极板　　　　(填“带正电”“带负电”或“不带电”)；  (3)然后将开关S接2时，电容器放电，此过程中，电路中的电流　　　　　(选填“增大”“减小”或“不变”)，流经G表的电流方向为　　　　　　(填“向左”或“向右”)，电容器两极板间的场强　　　　(选填“增大”“减小”或“不变”)。  解析：(1)当开关S接1时，电容器与电源构成闭合回路，平行板电容器充电。 (2)电容器上极板与电源正极连接，电容器上极板带正电。 (3)将开关S接2时，电容器放电，此过程中，电容器带电量逐渐减少，电容器两端电压逐渐减小，电路中的电流减小。 电容器上极板带正电，流经G表的电流方向为向左。 电容器带电量逐渐减少，电容器两端电压逐渐减小，电容器两极板间的场强减小。 答案：(1)1　(2)带正电　(3)减小　向左　减小 3.如图甲所示是观察电容器的充、放电现象实验装置的电路图。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　　　　时(选填“1”或“2”)，平行板电容器充电，在充电开始时电路中的电流比较　　　　(选填“大”或“小”)。电容器放电时，流经G表的电流方向与充电时　　　　(选填“相同”或“相反”)。  (2)将G表换成电流传感器(可显示电流I的大小)，电容器充电完毕后，将开关S扳到2，让电容器再放电，其放电电流I随时间t变化的图像如图乙所示，已知图线与横轴所围的面积约为41个方格，则电容器释放的电荷量Q=　　　　 C，可算出电容器的电容C=　　　　F。  解析：(1)电容器与电源相连时充电，所以当开关S接1时平行板电容器充电，由于极板上无电荷，在充电开始时电路中的电流比较大。电容器充电时电源正极接电容器上极板，放电时正电荷从上极板流出，所以电容器放电时，流经G表的电流方向与充电时相反。 (2)根据Q=It可知，放电电流随时间变化曲线与横轴所围区域的面积即为通过的电荷量，所以电容器释放的电荷量为Q=41×0.2×10-3×0.4 C =3.28×10-3 C 电容器的电容为C== F=4.1×10-4 F。 答案：(1)1　大　相反　(2)3.28×10-3 4.1×10-4 4.(2024·海南高考)用如图(a)所示的电路观察电容器的充放电现象，实验器材有电源E、电容器C、电压表、电流表、电流传感器、计算机、定值电阻R、单刀双掷开关S1、开关S2、导线若干。 (1)闭合开关S2，将S1接1，电压表示数增大，最后稳定在12.3 V。在此过程中，电流表的示数　　　　(填选项标号)  A.一直稳定在某一数值 B.先增大，后逐渐减小为零 C.先增大，后稳定在某一非零数值 (2)先后断开开关S2、S1，将电流表更换成电流传感器，再将S1接2，此时通过定值电阻R的电流方向　　　(选填“a→b”或“b→a”)。通过传感器将电流信息传入计算机，画出电流随时间变化的I-t 图像，如图(b)，t=2 s时I=1.10 mA，图中M、N区域面积比为8∶7，可求出R=　　　　kΩ(保留2位有效数字)。  解析：(1)电容器充电过程中，当电路刚接通，电流表示数从0增大到某一最大值，之后随着电容器的不断充电，电路中的充电电流在减小，当充电结束电路稳定后，此时电路相当于开路，电流为0。故选B。 (2)根据电路图可知，充电结束后电容器上极板带正电，将S1接2，电容器放电，此时通过定值电阻R的电流方向a→b。 t=2 s时I=1.10 mA，可知此时电容器两端的电压为U2=IR，电容器开始放电前两端电压为12.3 V，根据I-t图像与横轴所围成的面积表示电荷量，可得0~2 s时间内电容器放出的电荷量为Q1=ΔU·C=C，2 s后到放电结束时间内放出的电荷量为Q2=ΔU'·C=1.10×10-3·RC，根据题意得=，解得R≈5.2 kΩ。 答案：(1)B　(2)a→b　5.2 学科网（北京）股份有限公司 $