第3讲　电容器　实验十　观察电容器的充、放电现象 讲义 -2027届高考物理一轮复习

该高中物理讲义聚焦电容器高考核心考点，涵盖电容影响因素、充放电现象及动态分析，按实验原理、考点梳理、分层练习逻辑架构知识。通过考点对比（如两类动态分析思路）、方法指导（i-t图像面积求电荷量）、真题训练（改编题及模拟题精讲），帮助学生突破难点，体现复习系统性与针对性。 讲义突出实验与理论融合，如用电流传感器绘制充放电i-t图像培养科学探究能力，动态分析中构建Q不变和U不变模型强化科学思维。设置基础对点练与综合提升练，配合即时反馈，确保高效复习，助力学生提升应考能力，为教师把控复习节奏提供清晰指导。

第3讲　电容器 实验十　观察电容器的充、放电现象 学习目标 1.了解影响平行板电容器电容大小的因素，会利用公式判断平行板电容器电容的变化。 2.了解电容器的充、放电过程，会计算电容器充、放电的电荷量。 1. 2.观察电容器的充、放电现象 实验原理 实验操作 注意事项 甲　电容器充电 乙　电容器放电 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 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.在做放电实验时，在电路中串联一个电阻，避免烧坏电流表 数据 处理 1.观察电流表示数变化，总结电容器充、放电电流的变化规律。 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。 3.放电前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。 基础自测 1.(人教版必修第三册P43T2改编)某同学用图像描述某电容器充电时，其电荷量Q、电压U、电容C之间的相互关系，下列图像正确的是(　　) 答案　D 解析　对于同一个电容器来说，其电容是不变的，电容器充电过程中的电荷量逐渐增大，电压也逐渐增大，故A、B错误，D正确;根据电容器的定义式C=，整理得Q=CU，当电容不变时，其电荷量与电压成正比，故C错误。 2.(人教版必修第三册P51T4改编)如图所示，单刀双掷开关S原来跟2相接，从t=0开始，开关改接1，得到流过电路中P点的电流随时间变化的I-t图像(图甲)，电容器两极板的电势差UAB随时间变化的图像(图乙)。t=2 s时，把开关改接2，在I-t图像和UAB-t图像中画出之后2 s时间内图像的大致形状正确的是(　　) 答案　B 考点一　实验十:观察电容器的充、放电现象 例1 (2026·重庆多校联考，12)探究电容器充、放电规律，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，需在①、②处接入测量仪器，位置②应该接入测　　　　(选填“电流”或“电压”)仪器。  (2)接通电路并接通开关，当电压表示数最大时，电流表示数为　　　　。  (3)根据测得的数据，某过程中电容器两端电压U与电流I的关系图如图乙所示，该过程为　　　　(选填“充电”或“放电”)。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。0.2 s时R0消耗的功率　　　　W。  答案　(1)电压　(2)零　(3)放电　0.32 解析　(1)位置②与电容器并联，为测电压仪器。 (2)电压表示数最大时，电容器充电完毕，电流表示数为零。 (3)电容器放电时电压和电流都减小，图像逆向分析，该过程为电容器放电过程。由题图丙可知t = 0.2 s时电容器两端电压为U=8 V，由题图乙可知当U=8 V时，电流I=40 mA=0.04 A，则电阻R0消耗的功率为P=UI=0.32 W。 1.(2025·海南三亚期末考，16)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(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)。  答案　(1)B　(2)a→b　5.2 解析　(1)闭合开关S2、S1接1后，电路中的电流瞬间达到最大值，然后电源给电容器充电，电压表的示数逐渐增大，电路中的电流逐渐减小，当电压表示数稳定后，电路中的电流减为0，即电流表的示数先增大，后逐渐减小为0，B正确。 (2)闭合开关S2、S1接1时，电源正极与电容器上极板相连，则电容器上极板带正电，因此S1接2时，电容器放电，该过程通过R的电流方向为a→b;根据I-t图像与坐标轴围成图形的面积表示电荷量可知，0~2 s过程电容器放出的电荷量Q1与2 s后至放电结束过程电容器放出的电荷量Q2之比为8∶7，根据电容的定义式可知Q1=CΔU1，Q2=CΔU2，由电路图可知ΔU1=U0-I1R，ΔU2=I1R，代入数据解得R=5.2 kΩ。 考点二　电容器的理解及动态分析 两类典型动态分析思路比较 考向　对电容器的理解 例2 心脏骤停最有效的抢救方式是尽早通过AED自动除颤机给予及时治疗。如图，某型号AED模拟治疗仪器内有一电容为15 μF的电容器，某次使用过程中，该电容器在10 s内充电至5 000 V电压，之后在3 ms时间内完成放电，则(　　) A.电容器充电后所带的电荷量为75 C B.电容器充电过程中电容一直增大 C.电容器放电过程中放电电流一直增大 D.电容器放电过程中平均电流为25 A 答案　D 解析　电容器充电后所带的电荷量为Q=CU=15×10-6×5 000 C=0.075 C，A错误;电容器的电容由电容器本身的性质决定，与电容器是否带电无关，故电容器充电过程中电容保持不变，B错误;电容器放电过程中，放电电流逐渐减小，C错误;电容器放电过程中的平均电流为== A=25 A，D正确。 考向　电容器的动态分析 例3 (2026·北京东城期中)如图所示，平行板电容器与静电计相连，带有等量异种电荷，且左极板M带负电，右极板N带正电。静电计金属外壳和电容器的左极板都接地。P是两极板间一点，E表示两极板间的电场强度大小，φ表示 P点的电势，θ表示静电计指针的偏角。实验中，可认为极板所带电荷量不变。若保持右极板不动，将左极板向右移动一小段距离至图中虚线位置，则(　　) A.θ增大， E不变 B.θ增大，E减小 C.θ减小，φ不变 D.θ减小，φ减小 答案　D 解析　由题意知两极板间的距离d减小，根据C=，知电容器电容增大，根据U=结合极板所带电荷量Q不变，可知电容器两极板间的电压减小，θ减小;两极板间的电场强度大小为E===，与d无关，故两极板间的电场强度不变; P点与M板的电势差为UPM=φP-φM=EdPM，即φP=EdPM，P点与M板的距离dPM减小，则 P点电势降低。综上所述，θ减小，E不变，φ减小，故D正确。 2.(2026江苏南京期末)如图所示，A、B为两块平行带电金属板，A带负电、B带正电且与大地相接，两板间P点处固定一负电荷，设此时两极板间的电势差为U，P点电场强度大小为E，电势为φP，负电荷的电势能为Ep。现将A、B两板水平错开一段距离(两板间距不变)，下列说法中正确的是(　　) A.U变大，E变小 B.U变小，φP变小 C.φP变小，Ep变大 D.φP变大，Ep变小 答案　C 解析　将A、B两板水平错开一段距离，则极板正对面积S减小，根据C=，可知电容C减小，由于电荷量Q不变，由C=可知两极板间的电势差U变大，根据E=，可知板间电场强度E变大，则P点与B板间的电势差变大，由于B板接地电势为零，且B带正电，所以P点电势φP变小，根据Ep=qφ，及电荷带负电，可知负电荷的电势能Ep变大，故C正确。 例4 (2026·江苏盐城期末)半导体指纹传感器如图所示。当手指的指纹一面与绝缘表面接触时，指纹上凸点处与凹点处分别与半导体基板上的小极板形成正对面积相同的电容器。现使电容器的电压保持不变，手指挤压绝缘表面过程中，电容器(　　) A.电容变小 B.带电荷量变小 C.处于充电状态 D.内部电场强度大小不变 答案　C 解析　手指挤压绝缘表面过程中，电容器两极板间的间距减小，根据C=，可知电容变大，故A错误;电容器的电压保持不变，电容器电容变大，根据Q=CU，可知电容器带电荷量变大，处于充电状态，故B错误，C正确;根据E=可知内部电场强度变大，故D错误。 3.(2025·江苏南通期中)某同学用如图所示装置探究平行板电容器的电容影响因素，图中M、N是平行板电容器的两个极板，探究过程中，发现电流表中有a到b的电流，不可能的原因是(　　) A.M板向下平移 B.M板向左平移 C.电介质向右平移 D.电介质向左平移 答案　A 解析　在图示的连接方式中，两极板间的电压保持不变。M板向下平移，则极板间距减小，根据C=可知电容器的电容增大，根据Q=CU可知电容器带电荷量增大，则电容器充电，电流方向由b指向a，故A不可能;M板向左移，则极板正对面积S减小，根据C=可知电容器的电容减小，根据Q=CU可知电容器带电荷量减小，则电容器放电，电流方向由a指向b，故B可能;电介质向右移或向左移，介电常数εr均减小，根据C=可知电容器的电容减小，根据Q=CU可知电容器带电荷量减小，则电容器放电，电流方向由a指向b，故C、D可能。 考向　电路中含有二极管 例5 如图所示，平行板电容器两极板水平放置，现将其与二极管串联接在电动势为E的直流电源上，电容器下极板接地，静电计所带电荷量可忽略，二极管具有单向导电性。闭合开关S，一带电油滴恰好静止于两板间的P点，现将平行板电容器的上极板竖直向上移动一小段距离，则下列说法正确的是(　　) A.静电计指针偏角变小 B.平行板电容器的带电荷量将减小 C.带电油滴将向下运动 D.油滴的电势能不变 答案　D 解析　根据C=可知，d增大，则电容减小，静电计测量的是电容器两端的电势差，因为电容器电容减小，则电容器要放电，但是由于二极管的单向导电性，导致电容器所带的电荷量不变，故根据Q=CU可知，U变大，所以静电计指针张角变大，故A、B错误;因电容器电荷量不变，则当d增大时，根据E===可知，电场强度不变，则油滴所受静电力不变，油滴仍将保持静止，故C错误;P点与下极板的电势差不变，则P点的电势不变，油滴的电势能不变，故D正确。 A级　基础对点练 对点练1　实验:观察电容器的充、放电现象 1.(2026江苏扬州联考)在“观察电容器充、放电实验”中，实验电路如图所示，其中电源为2节干电池，调节电阻箱阻值为1×104 Ω，电流表应选择(　　) 答案　D 解析　电路中最大电流为Im== A=3×10-4 A=300 μA，为了电流表的安全和测量准确，以及充、放电过程电流方向相反，电流表应选择-300~300 μA的，故D正确。 2.(2025·甘肃多校联考，7)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 答案　C 解析　电容器不论是充电过程还是放电过程，电流都是逐渐减小的，充电过程电容器两极板的电荷量增加，由C=可知电容器两极板间电势差增大，放电过程电容器两极板的电荷量减少，电势差减小，A错误，C正确;根据电路结构可知，不论是充电过程还是放电过程，电容器的上极板都是带正电荷的，充电过程，流过电阻R的电流由N点流向M点，放电过程，流过电阻R的电流由M点流向N点，B、D错误。 3.(2025·天津模拟)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。电源电动势为6.0 V，内阻可以忽略。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。 (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“减小”“不变”或“增大”)。  (2)若实验中测得该电容器在整个放电过程中释放的电荷量Q=3.45×10-3 C，则该电容器的电容为　　　　μF。  (3)关于电容器在整个充、放电过程中的q-t图像和UAB-t图像的大致形状，可能正确的有　　　　(q为电容器极板所带的电荷量，UAB为A、B两板的电势差)。  答案　(1)放电　不变　(2)575　(3)B 解析　(1)开关S改接2后，电容器进行的是放电过程; 因I-t图像与坐标轴所围成的面积等于电容器的带电荷量，则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不变。 (2)该电容器的电容为C== F=575 μF。 (3)电源给电容器充电时，刚开始电荷量的变化率较大，后来变化率减小，放电时，电荷量变化率刚开始比较大，后来变化率减小，故A错误，B正确;根据C=且C不变可知，Q与U的变化情况相同，故C、D错误。 对点练2　电容器的理解及动态分析 4.(2025·江苏南通一模)莱顿瓶是一种储存电荷的装置，在玻璃瓶外面贴有一层金属箔，内部装食盐水，从瓶口处插入金属探针，下端浸在食盐水中，盐水和金属箔构成电容器的两极。现要增大电容器的电容，下列操作中可行的是(　　) A.多加入一些食盐水 B.减小食盐水的浓度 C.将金属探针上移少许 D.减小金属箔的高度 答案　A 解析　根据C=可知，若增大C，则需增大εr、S和减小d。往玻璃瓶中再加入一些食盐水，相当于增大了极板之间的正对面积，故A正确;减小食盐水的浓度，相当于介电常数εr减小，故B错误;把金属探针上移少许，极板之间的正对面积S、极板间距d和介电常数εr均不变，故C错误;减小金属箔的高度，相当于减小了极板之间的正对面积，故D错误。 5.(2025·江苏南通市校考)电源、开关、平行板电容器连成如图所示电路，上极板接地。闭合开关S，电源对电容器充电后，电容器带电荷量为Q，两极板间电压为U，板间电场强度大小为E0，电容器中的P点电势为φ，则下列说法正确的是(　　) A.若将上板下移少许，Q增大，U减小，E0不变，φ变大 B.若将上板下移少许，Q不变，U减小，E0减小，φ变小 C.若断开开关S，将上板下移少许，Q不变，U减小，E0不变，φ变小 D.若断开开关S，将上板下移少许，Q不变，U减小，E0不变，φ变大 答案　D 解析　闭合开关S，则极板间电压U不变，若将上板下移少许，即减小极板间距，由C=，可知电容器的电容增大，由Q=CU，可知Q增大，由E0=，可知E0变大，根据U=E0d'，设下极板为B，可知P、B间的电势差增大，则P点的电势φ变大，故A、B错误;若断开开关S，Q不变，将上板下移少许，由C=，可知电容器的电容增大，由U= ，可知U减小，又E0=，联立可得E0=，所以E0不变，根据U=E0d'，设上极板为A，可知A、P间的电势差减小，因为A板电势为零，则 P点的电势φ变大，故C错误，D正确。 6.(2024·黑吉辽卷，5)某种不导电溶液的相对介电常数εr与浓度cm的关系曲线如图(a)所示。将平行板电容器的两极板全部插入该溶液中，并与恒压电源、电流表等构成如图(b)所示的电路。闭合开关S后，若降低溶液浓度，则(　　) A.电容器的电容减小 B.电容器所带的电荷量增大 C.电容器两极板之间的电势差增大 D.溶液浓度降低过程中电流方向为M→N 答案　B 解析　由题图(a)知，溶液浓度降低，相对介电常数εr增大，根据C=可知，电容C增大，A错误;由于电容器与恒压电源相连，故电容器两极板间的电势差等于电源电压，保持不变，C错误;根据C=可知，电容C增大，电容器所带电荷量增大，电容器充电，故电流方向为N→M，B正确，D错误。 7.(2026·江苏镇江期中)电容式位移传感器工作原理如图所示，当被测物体在左、右方向发生位移时，电介质板随之在电容器两极板之间移动。若电介质板向左移动一微小位移x，下列说法正确的是(　　) A.电容器两极板间电压变小 B.电容器电容C变大 C.电容器带电荷量变少 D.有a→b方向的电流流过电阻 答案　B 解析　若电介质板向左移动一微小位移x，电介质插入两板间的长度增大，根据C=可知电容C增大;电容器与电源连接，电压不变，故A错误，B正确;根据C=可知，Q增大，电容器充电，则有b→a方向的电流流过电阻，故C、D错误。 8.(2026·江苏南京开学考试)电容式加速度传感器可用于汽车安全气囊系统，传感器的核心部件为由M、N两块极板组成的平行板电容器，其中极板N固定，极板M可以自由移动，移动的距离与汽车的加速度大小成正比。已知电容器所带电荷量始终保持不变，当汽车速度减小时，由于惯性导致极板M、N之间的相对位置发生变化，电容器M、N两极板之间的电压减小，当电压减小到某一值时，安全气囊弹出。下列车内平行板电容器的安装方式正确的是(　　) 答案　B 解析　由于极板所带电荷量Q不变，由C=可知，若要减小两板间电压，需增大电容器的电容C，由C=可知，需增大两极板正对面积S或减小两板间距离d，或填充电介质。当汽车速度减小时，选项A中d增大，B中d减小，C、D中S减小，故B正确。 B级　综合提升练 9.如图所示，电源E对电容器C充电，当C两端电压达到80 V时，闪光灯瞬间导通并发光，C放电。放电后，闪光灯断开并熄灭，电源再次对C充电。这样不断地充电和放电，闪光灯就周期性地发光。该电路(　　) A.充电时，通过R的电流不变 B.若R增大，则充电时间变长 C.若C增大，则闪光灯闪光一次通过的电荷量减小 D.若E减小为85 V，则闪光灯闪光一次通过的电荷量变小 答案　B 解析　充电时，电容器两端的电压变大，充电电流变小，A错误;若R增大，对电流的阻碍作用增强，则充电时间变长，B正确;根据Q=CU可知，C增大，Q增大，即闪光灯闪光一次通过的电荷量增大，C错误;若E减小为85 V，电容器放电电压仍为80 V，根据Q=CU可知Q不变，即闪光灯闪光一次通过的电荷量不变，D错误。 10.(2025·江苏南京模拟)图甲直流恒压电源的电压U=8 V，充电前电容器带电荷量为零。先使S与“1”端相连，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。则(　　) A.在电容器充电与放电过程中，通过电阻R0的电流方向相同 B.乙图中阴影部分的面积S1=S2 C.由甲、乙两图可判断阻值R1>R2 D.已知S1=1 233 mA·s，则该电容器的电容值约为1.5 F 答案　B 解析　电容器充电时通过电阻R0的电流方向向左，放电过程通过R0的电流方向向右，则在电容器充电与放电过程中，通过电阻R0的电流方向相反，A错误;题图乙中阴影部分的面积S1在数值上等于电容器充电结束后电容器所带电荷量，S2在数值上等于电容器放电时的放电荷量，则两者相等，即S1=S2，B正确;由题图乙可知，充电时的最大电流大于放电时的最大电流，则R2+R0>R1+R0，可得R1<R2，C错误;已知S1=1 233 mA·s，则该电容器带电荷量为Q=1 233 mA·s，可得电容值约为C== F=0.154 F，D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $