第九章 第7讲　实验 观察电容器的充、放电现象 课件 -2027届高考物理一轮专题复习（人教版）

该高中物理高考复习课件聚焦“观察电容器的充、放电现象”实验专题，依据高考评价体系明确了实验电路连接、充放电过程电流电压变化规律、电荷量计算等核心考查要求，通过梳理近三年高考真题，归纳出定性分析、定量计算、误差分析三大常考题型，突出基础性与创新性实验的考点权重。 课件亮点在于“真题解析+创新情境+素养培养”的备考设计，如结合2024广西卷定量计算实例，详解I-t图像面积求电荷量的方法，通过2023山东卷创新实验题培养科学探究和科学思维素养。特设易错点警示（如电压表分流影响电荷量测量），帮助学生掌握实验题答题技巧，教师可据此系统开展针对性复习，提升备考效率。

第7讲 实验:观察电容器的充、放电现象 【学习目标】 1.能根据实验电路图,独立、正确地连接充、放电实验电路;能成功进行电容器的充电和放电操作;能定性观察并准确描述充、放电过程中,回路电流和电容器两端电压随时间变化的趋势。 2.学会用控制变量法设计简单实验,探究充、放电快慢;能够设计表格,系统记录不同时刻的电流、电压值;能够根据记录的数据,手绘或使用软件绘制出充、放电过程的i-t和u-t曲线草图;能通过图像对比充、放电过程的异同点。 3.提高物理实验的严谨性,培养实事求是的科学态度和一丝不苟的作风;在观察新奇现象时,激发对电磁学世界的求知欲和探索精神;构建起对电容器工作的整体物理图景;利用图像法将抽象的指数变化规律可视化,从而更深刻地理解过程的变化特点。 一、实验目的 1.理解电容器的储能特性及其在电路中能量的转换规律。 2.了解电容器充、放电过程中,电路中的电流和电容器两端电压的变化规律,会计算电容器充、放电的电荷量。 二、实验过程 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,在电场力的作用下自由电子从正极板经过 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 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的增多,电流逐渐 ,当电容器两极板间电压等于电源电压时,电荷停止定向移动,电流I=0。 电源 等量 减小 2.电容器的放电过程 如图所示,当开关S接2时,相当于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 ,电路中的电流逐渐减小,两极板间的电压也逐渐减小到零。 逐渐减小 3.电容器充、放电时的能量转化 充电后,电容器储存了 。放电时,储存的电能释放出来,转化为其他形式的能。 三、数据处理 1.整个图像与坐标轴所围的面积的物理意义是 整个充电或放电时间内通过电流表的电荷量。 电能 2.估算电容器充电或放电过程中电荷量的方法是:先算出一个小方格代表的电荷量,然后数出整个图像与坐标轴所围的面积中的方格数(大于半个的按一个方格计算,小于半个的舍弃)。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。 四、误差分析 1.电压表读数及电流表不够灵敏造成偶然误差。 2.充放电时间较短、记录现象不够准确出现偶然误差。 3.电容器电容较小和电源不稳定造成系统误差。 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。 考点一 基础性实验 [例1] 【定性分析】 (2025·河南模拟)某同学设计了如图甲所示的电路来观察电容器的充放电过程。 (1)连接好电路后,将滑动变阻器的滑片调整至适当位置,闭合开关S,将单刀双掷开关S′掷于1端,此时电容器开始　　　　(选填“充”或“放”)电,观察到的实验现象是　 ,再将S′掷于2端,观察到的实验现象是 　　　　 　　　。 充 小灯泡闪亮一下后熄灭 小灯泡闪亮一下后熄灭 【解析】 (1)闭合开关S,将单刀双掷开关S′掷于1端,此时电容器开始充电,由于电容器上的电荷越来越多,电容器两极板间的电压越来越大,电路中的电流越来越小,最后为零,所以观察到的实验现象是小灯泡闪亮一下后熄灭。将单刀双掷开关S′掷于2端,此时电容器开始放电,电容器相当于电源,电容器带的电荷量越来越少,两极板间的电压越来越小,所以观察到的实验现象是小灯泡闪亮一下后熄灭。 (2)其他条件不变,只换用容量更大的电容器来做实验,相比于(1)中实验,此次实验在放电过程中看到的现象是　 。 小灯泡闪亮持续时间较长 【解析】 (2)其他条件不变,只换用电容量更大的电容器来做实验,相比于(1)中实验,电容器两极板间的电压不变,电容器的带电荷量增多,则在放电过程中的时间更长,小灯泡闪亮持续时间较长。 (3)其他条件不变,只把小灯泡换成电感器,闭合开关S,先将单刀双掷开关S′掷于1端,一段时间后,再将单刀双掷开关S′掷于2端,此时电容器和电感器构成一个LC振荡电路,当电感线圈中的磁感线和电容器中极板的带电情况分别如图乙所示时,电容器正处于　　　　(选填“充”或“放”)电状态,电路中的电流在　　　　(选填“增大”或“减小”)。  放 增大 【解析】 (3)根据右手定则可知,电容器正处于放电状态,电路中的电流在 增大。 [例2] 【定量计算】 (2024·广西卷,12)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。  2.0×10-4 (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(结果保留三位有效数字)。  15.0 【解析】(2)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。 (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电压为　　　　 V。  2 (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(结果保留两位有效数字)。 4.7×103 5.2 【解析】(4)充电结束后电容器两端电压为UC′=E=6 V,故可得放电过程释放的电荷量ΔQ=C(UC′-UC)=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″,则C(UC′-UC″)=0.003 8 C,解得UC″=5.2 V。 [例3] 【误差分析】 (2025·北京西城期末)把直流电源、电阻、电容器、电流表、电压表以及单刀双掷开关组装成如图甲所示的电路进行实验,观察电容器充、放电过程。 (1)先将开关S接1,观察到电流表示数　　　　。  A.逐渐增大到某一值后保持不变 B.逐渐增大到某一值后迅速减小 C.迅速增大到某一值后保持不变 D.迅速增大到某一值后逐渐减小 D 【解析】 (1)先将开关S接1,电源给电容器充电,电路中存在充电电流,且随着电荷量的增多,充电电流逐渐减小为零,所以观察到电流表示数是迅速增大到某一值后逐渐减小。D正确。 (2)待电压表示数稳定后,将开关S接2,通过电流传感器(图中未画出)得到电流随时间变化的图线如图乙所示。则放电过程中通过R的电荷量Q1= 　　 　　 C(结果保留两位有效数字)。  2.6×10-3 【解析】 (2)I-t图像与坐标轴所围面积表示电荷量,则利用图线与t轴所围小方格数可得到通过电阻R的电荷量为Q1=1×0.04×10-3×65 C= 2.6×10-3 C。 (3)该同学在分析数据时,用电容器的电容与充电后电压表稳定示数的乘积求出电荷量Q2,他发现Q1与Q2有明显差异。多次重复实验发现这种差异总是存在。请判断Q1　 　　　(选填“>”或“<”)Q2,产生这一差异是由于 　　 　　(选填“电流表”“电压表”或“电阻”)的影响。  < 电压表 【解析】(3)因为电压表的存在,所以在放电时总有一部分电荷经过电压表放电,电容器所带电荷量不能全部经过电阻R,所以Q1<Q2,产生这一差异是由于电压表的影响。 考点二 创新性实验 [例4] 【实验情境的创新】 (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。 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 【解析】 (1)滑动变阻器采用分压式接法,故滑片向b端滑动电容器充电电压升高。 (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(结果保留一位小数)。  6.5 【解析】(2)由题图乙可知,电压表量程为15 V,每个小格为 0.5 V,故示数为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”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(结果保留两位有效数字)。  3.9×10-3 【解析】(3)I-t图像与坐标轴所围的面积表示电容器存储的电荷量,由题图丙可知,总共39个小格,故电容器存储的电荷量为3.9×10-3 C。 (4)本电路中所使用电容器的电容约为　　 　　F(结果保留两位有效数字)。 4.9×10-4 (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 【解析】(5)由题图甲可知,电容器充电后,左极板带正电, 将开关S2掷向2,电容器放电,D1导通,则发光二极管D1闪光。 [例5] 【实验方法的创新】 (2025·宁夏吴忠二模)用如图甲所示电路观察电容器的充放电现象,所用器材如下:电源(E=4 V,内阻不计)、电容器C,两个完全相同的电压传感器(内阻无穷大)、计算机、定值电阻R=4 kΩ、单刀双掷开关、导线若干,将实验器材按下图正确连接。 (1)将单刀双掷开关连接1,经过足够长的时间,通过电压传感器1传入计算机画出的U-t曲线如图乙中的曲线①,则通过电压传感器2传入计算机的U-t曲线正确的是　　　　(填曲线对应标号)。  ② 【解析】 (1)将单刀双掷开关连接1,电容器充电,闭合瞬间电流最大,定值电阻两端电压等于电源电动势,之后电流减小,定值电阻两端电压也变小。电容器上端为正,下端为负,充电时流过电阻的电流也是由上向下,所以电容器和定值电阻两端电压都是上高下低,故通过电压传感器2传入计算机的U-t曲线是②。 (2)将单刀双掷开关连接2,通过电压传感器2传入计算机画出的U-t曲线如图乙中的曲线　　　　(填曲线对应标号),该过程为电容器　　　　(选填“充电”或“放电”),根据图像可估算,电容器储存的电荷量为　　 　　C(结果保留两位有效数字)。  ③ 放电 1.5×10-3 (3)若将电路中的定值电阻换成一阻值更大的电阻,先将单刀双掷开关连接1,经过足够长的时间,然后将单刀双掷开关连接2,通过电压传感器1在图乙中画出一条新的U-t曲线,新曲线与(2)中通过电压传感器2传入计算机画出的U-t曲线对比,与坐标轴围成的面积　　　　(选填“更大”“更小”或“相等”)。 更大 【解析】(3)若将电路中的电阻换成一阻值更大的电阻,电容器放电时释放的电荷量不变,I-t曲线与坐标轴围成面积不变,U-t曲线与坐标轴围成的面积会变大。 [例6] 【实验目的的创新】 (2025·重庆模拟)某兴趣小组欲探究电容器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S拨至1,稳定后再将S拨至2,用计算机(电路中未画出)得到通过电流表的放电电流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(结果保留至小数点后一位)。  137.5 (2)若某时刻t时电流为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(R+r) S2 【解析】(2)题图丙中t时刻电容器两极板间电压等于外部放电电路中电阻两端的电压U=i(R+r),而I-t 图像中图线与坐标轴围成的面积即为电荷量的大小,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,即电容器在时刻t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(以上两空结果保留至小数点后两位), 0.75 0.76 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 电荷量Q/(10-3 C) 电压U/V 0 3.60 3.00 0.4 2.52 2.12 0.8 1.76 1.50 1.2 1.24 1.06 1.6 2.0 0.60 0.53 2.4 0.40 0.38 2.8 0.24 0.27 同一电容器在放电过程中电荷量与电压成正比 【答案及解析】(3)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)=0.8×10-3×937.5 V=0.75 V, 题图乙中1.6 s后到电流为零的过程中I-t图像的面积 Q=S=19×0.2×10-3×0.2 C=0.76×10-3 C, 描点作图如下, 由于图像是一条通过原点的直线,故可得出同一电容器在放电过程中电荷量与电压成正比。 感谢观看 【解析】 (1)采样周期为T==2.0×10-4 s。 【解析】 (3)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。 【解析】(4)由电容的定义式C=,得C=4.9×10-4 F。 【解析】(2)单刀双掷开关连接2,电容器开始放电,初始时电流最大,定值电阻两端的电压也最大,此时通过电阻的电流由下向上,电阻两端电压下高上低。所以通过电压传感器2传入计算机画出的U-t曲线是③。曲线③与坐标轴围成的格子总数为29,面积的含义是放电时通过电阻的电荷量与电阻的乘积。每个小格的横纵坐标分别为0.5 s、0.4 V。所以电容器储存的电荷量为Q= C=1.5× 10-3 C。 【解析】 (1)充满电时电容器电压为3 V, 放电开始瞬间由题图乙知电流为3.2 mA, 根据闭合电路欧姆定律有E=I0(R+r), 代入数据解得R+r== Ω=937.5 Ω, 故r=137.5 Ω。 $