第9章 实验十 观察电容器的充、放电现象(课件PPT)-【金版新学案】2027年高考物理高三总复习大一轮复习讲义

该高中物理高考复习课件聚焦“观察电容器的充、放电现象”实验，覆盖充放电电流变化规律、I-t图像电荷量计算、电容定义式应用等核心考点。对接高考评价体系，分析近五年真题中“图像面积求电荷量”“电容估算”等高频考点权重，归纳教材原型实验、拓展创新实验两类常考题型，体现备考针对性。 课件亮点在于“真题研析+素养提升”，如以2023山东卷I-t图像分析为例，指导学生用“方格计数法”处理数据，培养科学思维中的科学推理能力。通过2024海南卷充放电电流变化题，强化物理观念中的能量观念。设“破题三步曲”和易错点警示，帮助学生掌握实验题答题模板，教师可据此开展精准复习，提升备考效率。

实验十　观察电容器的充、放电现象 高三总复习讲义　新高考 第九章 静电场 课时测评 内容索引 实验梳理 典例研析 实验梳理 返回 原理装置 操作要求   如图甲，电容器与电源相连，形成充电电流，随着极板电荷量的增加，充电电流减小。 如图乙，电容器的正、负电荷中和，形成放电电流，随着极板电荷量的减少，放电电流减小 1.连电路，按原理图连接器材。 2.单刀双掷开关S接1，观察充电现象。 3.单刀双掷开关S接2，观察放电现象。 4.关闭电源，整理器材 数据处理 1.观察电流表示数变化，总结电容器充、放电过程电流的变化规律。 2.可将电流表换成电流传感器，由计算机绘制充、放电的I -t图像，由图像计算充、放电过程通过电流传感器的电荷量。 方法：先算出一个小方格代表的电荷量，然后数出整个图像与横轴所围的面积中的方格数(大于半格的按一个方格计算，小于半格的舍弃)。电容器充电或放电过程中电荷量为一个小方格代表的电荷量乘以方格数。 3.电容器两极板之间的电压等于电源电动势，由电容的定义式C＝估算出电容器的电容C 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.实验要在干燥的环境中进行。 4.做放电实验时，在电路中串联一个电阻，避免烧坏电流表 误差分析 1.电流测量和读数不准确带来误差。 2.利用I -t图像进行数据处理时也会造成误差 返回 典例研析 返回 (2024·海南卷·T16)用如图甲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 例1 类型一　教材原型实验 B 电容器充电过程中，当电路刚接通后，电流表示数从零增大到某一最大值，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，电流为零。故选B。 (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的电流方向为__________(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，如图乙，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)。 5.2 a→b 根据题图甲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的电流方向为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 与横轴围成的面积表示电容器放出的电荷量可得，0～2 s内电容器放出的电荷量为Q1＝ΔU·C＝C，2 s后到放电结束电容器放出的电荷量为Q2＝ΔU'·C＝1.10×10－3·RC 根据题意得＝，解得 R≈5.2 kΩ。 (2026·重庆万州区模拟)某兴趣小组欲探究电容放电过程中电荷量与电压的关系。实验电路如图甲所示，电源电动势E＝3 V，定值电阻R＝ 800 Ω。先将开关K拨至1，稳定后再将K拨至2，电流表测得放电电流I随时间t的图像如图乙所示。 (1)结合图乙可以求出电流表内阻r＝__________Ω(保留至小数点后1位)。 例2 137.5 充满电时电容器两端电压为3 V，放电开始瞬间由题图乙可得电流为 3.2 mA，根据闭合电路的欧姆定律有E＝I0(R＋r) 代入数据解得r＝－R＝ Ω－800 Ω＝137.5 Ω。 (2)若t时刻电流为i，将该实验测得的放电曲线围成的面积按照图丙所示方式分成两块，面积分别为S1和S2，则t时刻电容器的电压U＝___________，电荷量Q＝_______。(用题中所给字母表示) i S2 题图丙中t时刻电容器板间电压等于外部放电电路中电阻两端的电压，U＝i 根据I -t图像中，图线与横轴围成的面积表示电荷量，可知从t到放电结束那部分面积S2就是电容器尚未释放的电荷量，即电容器在t时刻的电荷量。 (3)结合图乙，t＝1.6 s时表格中缺失的数据为U＝______V，Q＝_______× 10－3 C(以上两空保留至小数点后2位)，在图丁中标出缺失的数据点并画出Q与U的关系图线，由此可得出的实验结论是：_______________________ ____________________。 时刻t/s 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 电荷量Q/ (×10－3 C) 3.60 2.52 1.76 1.24   0.60 0.40 0.24 电压U/V 3.00 2.12 1.50 1.06   0.53 0.38 0.27 0.75 0.80 同一电容器在放电过程中 答案：见解析图 电荷量与电压成正比 题图乙中t＝1.6 s时电流为I＝0.8 mA，由欧姆定律可得电压U＝I(R＋r)＝0.8×10－3×(800＋137.5) V＝0.75 V 题图乙中从t＝1.6 s到电流为零的过程中I -t图像与横轴围成的面积表示电荷量，即Q＝20×0.2×10－3×0.2 C＝0.80×10－3 C 描点作图如图所示 由于Q -U图像是一条过原点的直线，故可得出同一电容器在放电过程中电荷量与电压成正比。 某同学在实验室发现一个电压标称为10 V、电容标称模糊的电容器，现他找了以下器材来测该电容器的电容值。 蓄电池：20 V，内阻可不计 电压表：12 V， 内阻很大 定值电阻有三个：10 Ω；50 Ω；100 Ω 滑动变阻器：标称为“30 V　50 Ω” 一个单刀单掷开关：S1 一个单刀双掷开关：S2 一台数字电流计：可接电子显示屏，显示电流随时间的变化过程 例3 类型二　拓展创新实验 实验操作步骤如下： (1)该同学按图1所示电路图进行组装电路，则定值电阻R1阻值应选___Ω。 50 根据题意可知蓄电池电压为20 V，电容器电压标称为10 V，根据串联电阻分压关系可知定值电阻R1的阻值应选50 Ω。 (2)他先闭合开关S1，S2掷于__________，调节滑动变阻器R2，稳定后读出电压表读数为4 V。然后，他把S2掷于____________，在电子显示屏上得到如图2中的甲曲线。(均选填“a端”或“b端”) b端 a端 他先闭合开关S1，S2掷于b端，调节滑动变阻器R2，稳定后读出电压表读数为4 V，电容器充电；然后，他把S2掷于a端，电容器放电。 (3)利用单位面积法算得I -t图中甲曲线和两坐标轴所围的面积为0.04 mA·s，已知电容器放电时其内阻可以忽略不计，则电容器的电容为C＝_______ F。 (保留1位有效数字) 1×10－5 根据I -t图线与横轴所围的面积表示电荷量，则C＝＝ F＝1×10－5 F。 (4)接着，他以同样的操作步骤，重新调节滑动变阻器R2，在电子显示屏上得到如图2中的乙曲线，则稳定时电压表读数为__________ V。(保留2位有效数字) 7.2 由题图2中的乙曲线可知调节滑动变阻器R2的阻值后，电容释放的电荷量为Q'＝72×0.02×10－3×0.05＝7.2×10－5 C，稳定时电压表读数即为电容器两端的电压U'＝＝ V＝7.2 V。 破题 “三步曲” (2023·山东卷·T14)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10 V，电容标识不清)； 电源E(电动势12 V，内阻不计)； 电阻箱R1(阻值0～99 999.9 Ω)； 滑动变阻器R2(最大阻值20 Ω，额定电流2 A)； 电压表V(量程15 V，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。 例4 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__________(选填“a”或“b”)端滑动。 b 题图甲中滑动变阻器为分压式接法，滑动变阻器滑片左边部分与电容器并联，若要升高电容器两端的电压，滑动变阻器的滑片应向b端移动。 (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。 6.5 电压表量程为15 V，分度值为0.5 V，则电压表的示数为6.5 V。 (3)继续调节滑动变阻器滑片位置，电压表示数为8.0 V时，开关S2掷向1，得到电容器充电过程的I -t图像，如图丙所示。借鉴“用油膜法估测油酸分子的大小”的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)。 3.6×10－3 题图丙中图线与坐标轴所围图形有36小格，则Q＝36×× C＝3.6×10－3 C。 (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)。 4.5×10－4 由C＝得C＝ F＝4.5×10－4 F。 (5)电容器充电后，将开关S2掷向2，发光二极管__________(选填“D1”或“D2”)闪光。 D1 电容器充电后，左板带正电，电容器放电时电流由左板经导线流出，故D1闪光。 破题 “三步曲” 返回 课 时 测 评 返回 1.(10分)(2023·新课标卷·T22)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__________(选填“正极”或“负极”)接触。 正极 多用电表使用时，电流应从红表笔流入多用电表，故检测时红表笔应该与电池的正极接触。 2 3 4 5 1 (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 C 2 3 4 5 1 电容器充电完成后，开始时两极板电荷量较多，电势差较大，当S与“2”端相接时，回路立即形成电流，小灯泡迅速变亮；随着时间的累积，两极板电荷量变少，电势差变小，流过灯泡的电流减小，小灯泡亮度逐渐减小，直至两极板电荷量为零，无电流流过小灯泡，即小灯泡熄灭。故选C。 2 3 4 5 1 (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_____(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”)。 R2 电荷量 2 3 4 5 1 开始充电时两极板不带电，两极板电势差为零，由题图(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； 根据电流的定义式I＝可知q＝It，故I -t图像中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 1 2.(10分)(2024·广西卷·T12)某同学为探究电容器充、放电过程，设计了图甲实验电路。器材如下：电容器，电源E(电动势6 V，内阻不计)，电阻R1＝400.0 Ω，电阻R2＝200.0 Ω，电流传感器，开关S1、S2，导线若干。实验步骤如下： (1)断开S1、S2，将电流传感器正极与a节点相连，其数据采样频率为 5 000 Hz，则采样周期为_______________s。 2×10－4(或) 采样周期为T＝＝ s＝2×10－4 s。 2 3 4 5 1 (2)闭合S1，电容器开始充电，直至充电结束，得到充电过程的I -t曲线如图乙，由图乙可知开关S1闭合瞬间流经电阻R1的电流为__________ mA(结果保留3位有效数字)。 15.0 由题图乙可知开关S1闭合瞬间流经电阻R1的电流为15.0 mA。 2 3 4 5 1 (3)保持S1闭合，再闭合S2，电容器开始放电，直至放电结束，则放电结束后电容器两极板间的电压为__________V。 2 放电结束后电容器两极板间电压等于R2两端电压，根据闭合电路欧姆定律得电容器两极板间电压为UC＝·R2＝2 V。 2 3 4 5 1 (4)实验得到放电过程的I -t曲线如图丙，I -t曲线与坐标轴所围面积对应电容器释放的电荷量为0.018 8 C，则电容器的电容C为__________ μF。图丙中I -t曲线与横坐标、直线t＝1 s所围面积对应电容器释放的电荷量为0.003 8 C，则t＝1 s时电容器两极板间电压为__________V。(结果保留2位有效数字) 4.7×103 2.8 2 3 4 5 1 充电结束后电容器两端电压为UC'＝E＝6 V，故可得ΔQ＝C＝0.018 8 C 解得C＝4.7×103 μF 设t＝1 s时电容器两极板间电压为UC″，可得C＝0.003 8 C 代入数值解得UC″≈2.8 V。 2 3 4 5 1 3.(10分)(2026·山东青岛期末)在“观察电容器的充、放电现象”实验中，实验器材有：电池(内阻不计)、电容器、电阻箱、定值电阻、电压传感器、电流表、电压表、单刀双掷开关以及导线若干，实验原理图如图甲所示。 (1)先将单刀双掷开关S与“1”端相接，调节电阻箱R的阻值，使电流表的指针满偏，记下这时电流表的示数I0＝500 μA、电压表的示数U0＝6.0 V，此时电阻箱R的阻值为9.5 kΩ，则电流表的内阻为_________kΩ。 2.5 电流表的内阻为RA＝－R 解得RA＝2.5 kΩ。 2 3 4 5 1 (2)再将单刀双掷开关S与“2”端相接，通过电阻R0的电流_________(选填“从a到b”或“从b到a”)。从开关S与“2”端相接瞬间开始计时，利用电压传感器和数据处理软件得到U -t图像如图乙所示，已知图线与坐标轴 围成的面积为S0。根据该图像可以粗测出实验中电容器的电容C＝_______ (用题中已知物理量Um、R0和S0表示)。 从a到b 　 2 3 4 5 1 电容器充电时上极板带正电，将单刀双掷开关S与“2”端相接，通过电阻R0的电流从a到b。 电容器放电时的i -t图线与坐标轴围成的面积表示电容器放电的电荷量，结合题意可知Q＝ 电容器的电容为C＝＝。 2 3 4 5 1 (3)若换用另一个电介质相同、极板间距相等、极板正对面积较小的电容器进行实验，则得到的U -t图像中图线与坐标轴所围成的面积将_______(选填“变大”“变小”或“不变”)。 变小 2 3 4 5 1 由C＝，可知换用另一个电介质相同、极板间距相等、极板正对面积较小的电容器，则电容减小，由C＝，电容器充电后电压不变，可知电容器所带电荷量减小，所以得到的U -t图像中图线与坐标轴所围成的面积将变小。 2 3 4 5 1 4.(10分)(2026·辽宁部分学校联考)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2相接，某时刻开关改接1，一段时间后，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。电源内阻可忽略。 2 3 4 5 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。此过程得到的I -t图像如图乙所示。如果不改变电路其他参数，只减小电阻R的阻值，则此过程的I -t曲线与坐标轴所围成的面积将________(选填“增大”“不变”或“减小”)。 放电 不变 2 3 4 5 1 开关S改接2后，电容器进行的是放电过程。只减小电阻R的阻值，不改变电容的电荷量，则此过程电容放出的电荷量不变，则I -t曲线与坐标轴所围成的面积不变。 2 3 4 5 1 (2)若R＝500 Ω，结合放电过程获取的I -t图像，则加在电容器两极板的最大电压约为__________ V。 1.2 若R＝500 Ω，由题图乙可知，放电过程的最大电流为2.4 mA，则加在电容器两极板的最大电压约为U＝IR＝1.2 V。 2 3 4 5 1 (3)改变电路中某一元件的参数对同一电容器进行两次充电，两次充电对应的电容器电荷量Q随时间t变化的图像分别如图丙中a、b所示。根据图像分析：a、b两条曲线不同是__________(选填“R”或“E”)不同造成的。 E a、b两条曲线分别趋近于不同最大值，则电容器所带的最大电荷量不同，根据Q＝CU可知，两次不同是电源的电动势E不同造成的。 2 3 4 5 1 (4)电容器充电过程实际是克服极板上电荷的静电力做功，使电势能增加的过程(即极板间储存电场能的过程)，若某次充电过程的两极板间电压U与电荷量Q的关系图像如图丁所示，请类比v -t图像求位移的方法，计算该充 电过程电容器储存的电场能为______________(用U0、Q0表示)。 U0Q0 该充电过程电容器储存的电场能等于U -Q图像与Q轴围成的“面积”，大小为U0Q0。 2 3 4 5 1 5.(10分)在测定电容器电容值的实验中将电容器、电压传感器、阻值为 3 kΩ的电阻R、电源、单刀双掷开关按图甲所示电路图进行连接。先使开关S与1端相连，电源向电容器充电，充电完毕后把开关S掷向2端，电容器放电，直至放电完毕。实验得到的与电压传感器相连接的计算机所记录的电压随时间变化的u -t曲线如图乙所示，图丙为由计算机对图乙进行数据处理后记录的“峰值”及曲线与时间轴所围的“面积”。 2 3 4 5 1 (1)根据图甲所示的电路，观察图乙可知：充电电流与放电电流方向______ (选填“相同”或“相反”)，大小都随时间__________(选填“增加”或“减小”)。 相反 减小 由题图甲、乙可知，充电和放电时R两端的电势相反，说明流过R的电流方向相反；电压都随时间减小，说明电流都随时间减小。 2 3 4 5 1 (2)该电容器的电容值为__________F(结果保留2位有效数字)。 1.0×10－2 根据欧姆定律I＝，u -t图像与图线t＝0所围的面积表示Ut，可知图像与图线t＝0所围的面积与R的比值表示电荷量。故极板所带的最大电荷量Q＝ C＝0.060 9 C，该电容器的电容值C＝＝ F≈1.0×10－2 F。 2 3 4 5 1 (3)某同学认为：仍利用上述装置，将电压传感器从电阻两端改接在电容器的两端，也可以测出电容器的电容值。请你分析并说明该同学的说法是否正确。 　　　　　 　. 　　　 　　　. 　　　　　 　. 　　　 　　　. 正确， 该同学的说法正确。因为当开关S与2端连接，电容器放电的过程中，电容器C与电阻R上的电压大小相等，因此通过对放电曲线进行数据 ＝计算电容值。 返回 处理后记录的“峰值U”及曲线与时间轴所围“面积S”，仍可应用C＝ 2 3 4 5 1 谢 谢 观 看 实验十　观察电容器的充、放电现象 $