第8章 实验1 观察电容器的充、放电现象(教用Word)-【精微方案】2027年高考一轮总复习讲义·物理

该高中物理讲义聚焦电容器充放电现象这一高考核心考点，围绕充放电过程中电流电压变化规律及能量转化，按实验基础、现象分析、拓展应用的逻辑架构组织知识点。通过考点梳理、方法指导（如I-t图像面积应用）、真题训练（2024年重庆、海南等卷实例）等环节，帮助学生系统突破难点，体现复习的针对性。 资料以实验探究为核心，融合科学思维与科学探究素养，如引导学生通过I-t图像面积分析电荷量，设计基础现象结论、创新拓展应用的分层练习。通过真题精讲和即时反馈，确保学生在有限时间内掌握解题方法，为教师把控复习节奏、提升学生应考能力提供有力支持。

实验十　观察电容器的充、放电现象 一、实验目的 1．观察电容器的充、放电现象，理解电容器的储能特性及其在电路中能量的转换规律。 2．理解电容器充、放电过程中，电路中的电流和电容器两端电压的变化规律。 二、实验器材 6 V的直流电源、单刀双掷开关、平行板电容器、电流表、电压表、小灯泡、导线若干。 三、实验思路 1．电容器充电：电源使电容器的两极板带上等量异种电荷的过程，如图甲所示。 2．电容器放电：用导线将充好电的电容器的两极板相连，使两极板的异种电荷中和的过程，如图乙所示。 3．电容器充、放电时的能量转化：充电后，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。 四、实验过程 1．电容器的充电 开关S合向1，电容器充电。 (1)现象 ①小灯泡开始较亮，逐渐变暗，直至熄灭。 ②A1的读数由大变小，逐渐减小到0。 ③V的读数迅速变大。 ④最后电流表的示数等于0，电压表的示数稳定，等于电源电压。 (2)解释 电源正极向上极板供给正电荷，负极向下极板供给负电荷。电荷在电路中定向移动形成电流，两极板间有电压。S刚合上时，电源与电容器之间存在较大的电压，使大量电荷从电源移向电容器极板，产生较大电流，随着极板电荷的增加，极板间电压增大，电流减小。当电容器两极板间电压等于电源电压时，电荷不再定向移动，电流为0，灯不亮。 2．电容器的放电 开关S合向2，电容器放电。 (1)现象 ①小灯泡开始较亮，逐渐变暗，直至熄灭。 ②A2的读数开始较大，逐渐变小，电流方向与充电方向相反，直至为0。 ③开始V的读数为电源电压，逐渐减小，直至为0。 (2)解释 放电过程中，由于电容器两极板间的电压使回路中有电流产生。开始这个电压较大，因此电流较大，随着电容器极板上的正、负电荷的中和，极板间的电压逐渐减小，电流也减小，最后放电结束，极板间不存在电压，电流为0。 五、分析论证 当电容器极板上所储存的电荷发生变化时，电路中就有电流流过；当电容器极板上所储存的电荷量恒定不变时，电路中就没有电流流过。电路中的平均电流I＝。 六、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。 题型一　实验现象和结论 (2024·重庆卷，T12)探究电容器充放电规律的实验装置如图甲所示，有电源E，定值电阻R0，电容器C，单刀双掷开关S。 (1)为测量电容器充放电过程电压U和电流I变化规律，需在图甲电路图①、②处接入测量仪器，位置②应该接入测__________(选填“电流”或“电压”)的仪器。 (2)接通电路，当电压表示数最大时，电流表示数为__________。 (3)根据测量数据，某过程中电容器两端电压U与电流I关系图如图乙所示。该过程为________(选填“充电”或“放电”)过程。放电过程中电容器两端电压U随时间t变化关系如图丙所示。t＝0.2 s时R0消耗的功率为__________W。 [解析]　(1)位置②与电容器并联，应接入测电压的仪器。 (2)电压表示数最大时，电容器充电完毕，电流表示数为0。 (3)电容器放电时电压和电流都减小，充电时，电压增大，电流减小，图像逆向分析，该过程为电容器放电过程。电容器充电完毕后的电压等于电源电动势，大小为12 V，由题图丙可知t ＝ 0.2 s时电容器两端电压U＝8 V，由题图乙可知当U＝8 V时，电流I＝40 mA，则电阻R0消耗的功率P＝8×40×10－3 W ＝ 0.32 W。 [答案]　(1)电压　(2)0　(3)放电　0.32 小明将电源、电阻箱、电容器、电流表、数字电压表以及开关组装成图1所示的电路进行实验，观察电容器充电过程。实验仪器如下：电源(电压为4.5 V，内阻不计)；电容器(额定电压为16 V)；电流表(量程为0～500 μA，内阻为500 Ω)；数字电压表(量程为0～10 V)；电阻箱(阻值0～9 999 Ω)。 (1)电路连接完毕后如图2所示，为保证电表使用安全，在开关闭合前必须完成的实验步骤是____________________________________。 (2)将开关S闭合，观察到某时刻电流表示数如图3所示，其读数为__________μA。 (3)记录开关闭合后电流随时间变化的图线如图4所示，小明数出曲线下围成的格子数有225格，则电容C大小为__________μF。 (4)由于数字式电压表内阻并不是无穷大，考虑到此因素的影响，(3)问中电容的测量结果与真实值相比是__________(选填“偏大”“偏小”或“相等”)，请简要说明理由 ________________________________________________________________________。 [解析]　(1)电路连接好后，为保护电路，在开关闭合前，应将电阻箱阻值调至较大值(或最大值)。 (2)根据量程及刻度，可以读出电流表的分度值为10 μA，根据估读原则，电流需估读到个位，故电流表读数为175 μA。 (3)根据I－t图像的物理意义可以知道图像的面积为电容器两极板的电荷量，题图中每一格代表的电荷量q＝10×10－6×5 C＝5×10－5 C，故当充满电后电容器的电荷量Q＝225q＝1.125×10－2 C，故电容器的电容C＝＝ F＝2.5×10－3 F＝2 500 μF。 (4)由于电压表的分流，实际充电电流小于电流表上记录的数值，因此电荷量计算偏大，电容测量结果偏大。 [答案]　(1)将电阻箱阻值调至较大值(或最大值) (2)175　(3)2 500　(4)偏大　由于电压表的分流，实际充电电流小于电流表上记录的数值，因此电荷量计算偏大，电容测量结果偏大 题型二　教材实验拓展创新 在“观察电容器的充、放电”实验中，考题主要从三个角度创新： (1)电源，可以是恒压源也可以是恒流源； (2)电阻，主要探究电阻对电流变化快慢的影响； (3)用类比的方法理解i－t图像与横轴所围成的面积的物理意义。 (2024·海南卷，T16)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________。(选填选项标号) 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，当电路刚接通时，电流表示数从0增大到某一最大值，然后随着电容器不断充电，电路中的充电电流减小，在充电结束电路稳定后，电路相当于开路，电流为0。 (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，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放电量可得前2 s内的放电量Q1＝ΔU·C＝(12.3 V－1.10×10－3A×R)C，2 s后到放电结束的放电量Q2＝ΔU′·C＝1.10×10－3A×RC，根据题意＝，解得R≈5.2 kΩ。 [答案]　(1)B　(2)a→b　5.2 (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)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)。 (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。 (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)。 [解析]　(1)采样周期T＝＝ s。 (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)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UC＝·R2＝2 V。 (4)充电结束后电容器两端电压UC′＝E＝6 V，故可得ΔQ＝(UC′－UC)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″，得(UC′－UC″)C＝0.003 8 C，代入数值解得UC″≈5.2 V。 [答案]　(1)　(2)15.0　(3)2　(4)4.7×103　5.2 学科网（北京）股份有限公司 $