实验10 观察电容器的充、放电现象 课件 -2027届高考物理一轮复习

该高中物理高考复习课件聚焦“电容器充放电现象”实验专题，依据高考评价体系梳理了充放电过程分析、电荷量计算、I-t图像应用三大核心考点，通过真题分析明确“图像面积求电荷量”“电容计算”等高频考点占比，归纳实验操作、数据处理、误差分析等常考题型，备考针对性强。 课件亮点在于“原理拆解+真题实战+素养落地”，如以典例2中I-t图像面积估算电荷量、结合C=Q/U计算电容为例，培养科学思维（科学推理）和科学探究（数据处理）素养。特设误差分析指南（如电压表接入位置对测量值的影响），帮助学生掌握答题技巧，教师可据此高效指导复习，提升冲刺效果。

实验10 观察电容器的充、放电现象 要点梳理 一、实验目的 了解电容器的充电、放电过程,会计算电容器充、放电电荷量。 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,在充电开始时电流比较大,以后随着极板上电荷的增多,电流逐渐减小,当电容器两极板间电压等于电源电压时电流I=0。 2.电容器的放电过程:如右图,当开关S接2时,电容器正、负极板上电荷发生中和。放电开始电流较大,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。 3.电容器充放电时的能量转化:充电时,电容器储存了电能。放电时,储存的电能释放出来转化为其他形式的能。 三、电容器充放电过程中所带电荷量的测量 1.电容器在充、放电时,由于电流大小随时间变化,可把横坐标t分成许多很小的时间间隔Δt1、Δt2、…、Δtn,在这些小区间里可以认为电容器充、放电的电流不变,即I1、I2、…、In,电容器所带电荷量为Q=I1Δt1+I2Δt2+…+InΔtn。此数值等于电容器充、放电I-t图线与坐标轴所包围的面积。 2.估算电荷量时,可采用面积估算法,先数出I-t图像在坐标纸上图形所占有的格数(不到半格的舍去,超过半格的按一格算),然后用格子数乘以一格所代表的电荷量,即最终电容器所带的电荷量。 四、实验结论 根据电容器放电过程中电流、时间实验数据绘制I-t图分析可得: (1)在充电电压相同的情况下,改变电路中电阻箱的阻值,两次电容器放电释放的电荷量在误差允许范围内相等,这表明电容器储存的电荷量与放电电路中的电阻大小无关。 (2)改变充电电压,两次电容器放电释放的电荷量不同,这表明电容器储存的电荷量与电压有关。 方法指导 一、教材原型实验 考向1　实验原理与操作 典例1　如图为“观察电容器的充、 放电现象”实验。 实验器材:电源E(电动势9.50 V,内阻可忽略)、电容器C(标称电容值为 470 μF,击穿电压为10 V)、电阻箱R、 见解析 微安表G、单刀双掷开关S和导线若干。完成下列实验的相关内容。 (1)按照图甲的电路图,把图乙中的器材连接成完整的实验电路。 (2)实验步骤: Ⅰ.将开关S打到1,给电容器C充电,观察微安表G的示数变化直到读数稳定; Ⅱ.先打开手机视频录制软件,再将开关S打到2位置,观察并用视频记录电容器C的放电过程中微安表G的示数变化情况; Ⅲ.断开开关S,观看视频,记录0~160 s内,微安表G的读数随时间变化的数据; Ⅳ.在坐标纸上以时间t为横轴,微安表G的读数I为纵轴,描点作出I-t图像,如图丙所示。 (3)分析图丙可知: ①电容器放电过程电流的变化规律为:放电电流逐渐　　　　(选填“增大”“减小”或“不变”),放电电流随时间的变化率逐渐　　　 。(选填“增大”“减小”或“不变”) 丙 ②图丙中,图像与横轴所包围的面积为86格,则可求得该电容器的电容值为 　　　　 μF 。(保留两位有效数字)   (4)步骤Ⅰ中,微安表G的读数稳定时,并不为0,始终保持在12 μA,出现这种现象的原因是电容器　　　　。(选填“短路”或“漏电”)  减小 减小 4.5×102 漏电 解析 (1)按照图甲的电路图, 实物图如图 (3)①由题图丙可知,电容器放电过程电流的变化规律为:放电电流逐渐减小,放电电流随时间的变化率逐渐减小。 ②由电容定义得C= F=452 μF=4.5×102 μF。 (4)步骤Ⅰ中,微安表G的读数稳定时,并不为0,始终保持在12 μA,出现这种现象的原因是电容器漏电。 考向2　数据处理与误差分析 典例2　如图甲所示是一种观察电容器充、放电的实验电路图。某同学在一次实验时的情况如下:接通开关S,调节电阻箱R的阻值,使小量程电流表的指针偏转接近满刻度,记下此时电流表的示数是I0=490 μA,电压表的示数U0=6.0 V,I0、U0分别是电容器放电时的初始电压和电流。断开开关S,同时开始计时,每隔5 s测一次电流I的值,将测得数据填入表格,并标在图乙坐标纸上(时间t为横坐标、电流i为纵坐标),结果如图中小黑点所示。 (1)在图乙中画出i-t图线,图线与坐标轴所围成面积的物理意义是　　　　　　　　　　　　　　　　。  (2)该电容器电容为　　　　 F 。(结果保留两位有效数字)   (3)若某同学实验时把电压表接在F、D两端,则电容的测量值比它的真实值　　　　 。(选填“大”“小”或“相等”)   见解析图　 电容器在开始放电时所带的电荷量 1.4×10-3 小 解析 (1)如图所示,由ΔQ=IΔt知,i-t图像与坐标轴所围的面积为电容器在开始放电时所带的电荷量。 (2)由总格子数乘以每个格子的“面积”值求得Q=8.5×10-3 C,则C==1.4×10-3 F。 (3)电容的测量值比它的真实值偏小,原因是若把电压表接在F、D两端,则电容器在放电时,有电流会从电压表中流过,通过电流表中的电荷量小于电容器的带电荷量,从而使电容的测量值比它的真实值偏小。 二、创新实验方案 考向1　实验原理的改进 典例1　工业生产中经常会用到需要避光储存的绝缘液体原料,为了方便测量其深度,某同学设计了如图甲所示装置。在储存液体原料的桶的外侧底部,放置一个与桶底形状相同、面积为S的金属板,桶内有一面积为S的轻质金属箔板,漂浮在液体表面上。圆桶由绝缘材料制成,桶壁厚度可忽略不计,使用时需要进行如下操作: (1)将开关接“1”接线柱,电容器充满电后,将开关接“2”接线柱,电流传感器记录下电流随时间的变化关系如图乙所示,可知电容器充满电后的电荷量Q=　　　　　 C。  (2)再将开关接“1”接线柱,电容器充满电后,将开关接“3”接线柱,电压传感器的示数为U。可根据U的大小得出液体的深度h;改变深度h,电压传感器示数随之改变。根据所学知识判断电压传感器示数和液体的深度成 　　　　(选填“线性”或“非线性”)关系。  (3)由于工作过程中电荷量会有一定的损失,将导致深度的测量结果 　　　　　(选填“偏大”“偏小”或“不受影响”)。  3.0×10-3　 线性 偏小 解析 (1)I-t图像与坐标轴围成的面积表示电荷量,一小格的电荷量为q=0.25 mA×1 s=2.5×10-4 C,图中总共约12小格,所以电容器充满电的电荷量为Q=12q=3.0×10-3 C。 (2)根据C=及C=可得U=·h,可知电压传感器示数和液体的深度成线性关系。 (3)由于工作过程中电荷量会有一定的损失,极板间电压随之减小,将导致深度的测量结果偏小。 考向2　实验整合的创新 甲 典例2　电流传感器可以在电脑端记录电流随时间变化的图线,探究实验小组设计了如图甲所示的实验电路,探究电容器在不同电路中的充放电现象。 (1)第一次探究中先将开关接1,待电路稳定后再接2。 探究电容器充电及通过电阻放电的电流规律。 ①已知电流从右向左流过电流传感器时,电流为正,则与本次实验相符的I-t图像是　　　　。  A ②从I-t图像的面积可以计算得出电容器电荷量的大小。关于本次实验探究,下列判断正确的是　　　　。  A.若只增大电阻箱R的阻值,电容器放电的时间将变短 B.若只增大电阻箱R的阻值,I-t图像的面积将增大 C.在误差允许的范围内,放电和充电图像的面积应大致相等 C (2)第二次探究中,该同学先将开关接1给电容器充电,待电路稳定后再接3,探究LC振荡电路的电流变化规律。 ①探究实验小组得到的振荡电路电流波形图像,选取了开关接3之后的LC振荡电流的部分图像,如图乙所示,根据图像中记录的坐标信息可知,振荡电路的周期T=　　　　 s 。(结果保留两位有效数字)   乙 9.2×10-3 ②已知电源电动势E,测得充电过程I-t图像的面积为S,以及振荡电路的周期T,可以得到电感线圈的电感表达式L=　　　　。(以上物理量的单位均为国际单位制单位)  　 解析 (1)第一次探究过程为先给电容器充电,后电容器通过R放电,给电容器充电过程中电流从右向左流过传感器,即为正,由于充电后电容器上极板带正电,电容器通过R放电时,电流从左向右流过传感器,即为负,故选A。 I-t图像的面积可以计算得出电容器电荷量的大小,则放电和充电图像的面积应大致相等,若只增大电阻箱R的阻值,电容器的电荷量不变,I-t图像的面积不变,对电流的阻碍作用变大,电容器放电的时间将变长,故选C。 (2)由图乙可知T= s≈9.2×10-3 s;充电过程I-t图像的面积为S,则q=CE=S得C=,由T=2π得L=。 $