第7章 第5讲 观察电容器的充、放电现象(Word教参)-【新高考方案】2027年高考物理一轮总复习（江苏专版）

该高中物理讲义聚焦电容器充放电现象这一高考基础实验考点，按原理装置、操作要领、数据处理、注意事项系统梳理知识，通过考点归纳、方法指导（如I-t图像分析电荷量）、真题训练（含2025年模拟题）等环节，帮助学生构建实验认知框架，突破难点。 资料以科学探究为导向，设计“充电-放电-图像分析”连贯实验活动，结合电表使用规范等细节培养科学态度，通过分层练习（基础现象观察到电容测定）提升科学思维，助力学生高效掌握实验本质，为教师把控复习节奏提供实用教学资源。

第5讲　观察电容器的充、放电现象(基础实验) 　　　　　　　　　　　　　　　　 一、实验知能/系统归纳 一、理清原理与操作 原理装置图 操作要领 1.电容器的充电过程 开关S接1时，电源给电容器充电，电容器带电荷量、电压逐渐增大，电流逐渐减小，最后电流为零，如图甲所示。 2.电容器的放电过程 开关S接2时，电容器负极板上负电荷与正极板上正电荷中和，两极板的电荷量逐渐减小，电流逐渐减小，最后电压也逐渐减为零，如图乙所示。 二、掌握数据处理方法 实验项目 实验现象 电容器 充电 灯泡L 亮度由明到暗最后熄灭 电流表A 读数由大到小最后为零 电压表V 读数由小到大最后稳定 电容器 放电 灯泡L 亮度由明到暗最后熄灭 电流表A 读数由大到小最后为零 电压表V 读数由大到小最后为零 三、注意实验细节 1.连接电路时注意电流表和电压表的正、负极和量程。 2.对电解电容器也要注意正、负极。 3.要选择电容较大的电容器。 4.实验过程要在干燥的环境中进行。 二、应用发展/练中融通 1.某同学用电流传感器做“观察电容器的充、放电”实验，采用的实验电路如图所示。将开关先与“1”端闭合，对电容器进行充电，充电完毕后再将开关与“2”端闭合，电容器放电。在下列通过电流传感器的电流i随时间t变化的四个图像中，正确的是 (　 ) 解析：选A　充电过程中，电容器两极板间的电压逐渐增大，电源正极和电容器正极板间的电势差逐渐减小，充电电流逐渐变小，经过电流传感器的充电电流为从上到下。放电过程中，电容器两极板间的电压逐渐减小，放电电流逐渐减小，且减小得越来越慢，电容器上极板带正电，经过电流传感器的放电电流为从下到上，故图A符合要求。 2.(2025·无锡高三检测)某学习小组要测定一个电容器的电容，选用器材如下： 待测电容器；电流传感器(内阻不计)；电压表；干电池(1.5 V，内阻忽略不计)；定值电阻R0=3 000 Ω；单刀双掷开关；导线若干。 实验过程如下： ①按图甲所示的电路图正确连接电路； ②将开关与“1”端连接，电源向电容器充电； ③将开关与“2”端连接，测得电流随时间变化的I-t图像如图丙中的实线所示。 请回答下列问题： (1)充电完成时，电压表示数如图乙所示，则其大小为　　　　 V。  (2)开关与“2”端连接，电压表示数将　　　 (填“逐渐变大”“逐渐变小”或“不变”)。  (3)电容器的电容C=　　　 F(保留两位有效数字)。  (4)若将定值电阻换为R1=5 000 Ω，重复③。则电流随时间变化的I-t图线应该是图丁中的曲线　　　　 (选填“b”或“c”)。  (5)实验中开关与“1”端连接后，电流传感器的示数始终不为0，小明同学认为等待时间不够长，你是否同意他的观点?请简要说明理由：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  解析：(1)由题图乙可知，电压表的分度值为0.1 V，需要估读到分度值下一位，读数为1.50 V。　 (2)开关与“2”端连接，电容器放电，所带的电荷量减少，根据U=可知电容器两端的电压减小。 (3)根据Q=It可知I-t图像所围成的面积表示电荷量，每一小格表示的电荷量为q0=0.05×10-3×2 C=1×10-4 C，不足半格的舍去，大于半格的算一格，由题图丙可知有30个小格，则电容器初始所带电荷量为Q=30q0=3×10-3 C，电容器的电容C==2.0×10-3 F。 (4)若将定值电阻换为R1=5 000 Ω，由I=可知，初始时放电的电流变小，根据t=可知放电时间变长，故为曲线c。 (5)不同意，理由为充电结束后电流传感器依然可以测得通过电压表的电流，故读数不为0。 答案：(1)1.50　 (2)逐渐变小　(3)2.0×10-3(1.9×10-3~2.1×10-3均可)　(4)c　 (5)不同意。充电结束后电流传感器依然可以测得通过电压表的电流，故读数不为0 3.(2025·常州模拟)如图甲所示为空气介质单联可变电容器的结构，它是利用正对面积的变化改变电容器的电容大小，某同学想要研究这种电容器充、放电的特性，于是将其接到如图乙所示的实验电路中，实验开始时电容器不带电，微电流传感器G可以记录电流随时间变化的I-t图像。 (1)要观察电容器的充电现象时，应把开关打到　　　　(选填“1”或“2”)，充电过程中电容器的电容C　　　　(选填“变大”“变小”或“不变”)，充电过程中电流　　　　(选填“变大”“变小”或“不变”)。  (2)充电稳定后，断开单刀双掷开关，用电压表接在电容器两端测量电压，发现读数缓慢减小，原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  (3)首先将开关S打到1，这时观察到G有短暂的示数，稳定后，旋转旋钮，使电容器正对面积迅速变大，从开始到最终稳定，微电流传感器G记录的I-t图像可能是　　　　。  解析：(1)当电容器与电源相连时，电容器处于充电状态，即要观察电容器的充电现象时，应把开关打到“1”；根据C=可知，充电过程中，εr、S、d都不变，故电容不变；在充电过程中，电容器所带电荷量不断增大，则电容器两端电压逐渐增大，而电源电压不变，故电容器两端与电源两端的电势差越来越小，故电流在变小。 (2)用电压表接在电容器两端测量电压，发现读数缓慢减小，说明电容器在缓慢放电，电路中有电流，电压表不是理想电压表。 (3)电容器充电时，微电流传感器中的电流方向从左到右，刚开始电流比较大，充电结束后，电流为0，根据C=可知，当电容器正对面积迅速变大，电容迅速增大，又由C=，可得电容器的带电量Q增加，故电容器再次充电，微电流传感器中的电流方向从左到右，充电结束后电流为0。故选A。 答案：(1)1　不变　变小　(2)电压表不是理想电压表　(3)A 4.小姚利用图甲电路观察电容器在充电和放电过程中电流表和电压表示数的变化。实验中电源输出的电压为8 V，图乙实物电路中已完成部分连接。 (1)用笔画线代替导线，完成剩余部分的电路连接。 (2)当S连接1时，电流表示数　　　　，电压表示数　　　　(选填“逐渐增大”“逐渐减小”或“保持不变”)；S接1足够长时间后，电流表示数　　　　(选填“为0”或“不为0”)。当S从1断开后，电流表示数　　　　(选填“逐渐增大”“逐渐减小”或“为0”)，电压表示数　　　　(选填“逐渐增大”“逐渐减小”“为0”或“保持不变”)。  (3)图丙所示的电路中，K与L间接一智能电源，用以控制电容器C两端的电压UC，如果UC随时间t的变化如图丁所示，则下列描述电阻R两端电压UR随时间变化的图像中正确的是　　　 。  解析：(1)根据电路图，实物连线如图所示。 (2)当S连接1时，电容器处于充电过程，随着电容器所带电荷量逐渐增加，电流表示数逐渐减小，电压表示数逐渐增大；S接1足够长时间后，由于电压表内阻不可能无穷大，则电路电流可以通过电压表构成回路，电流表示数不为0。当S从1断开后，电流表处于断路状态，电流表示数为0；电容器通过电压表放电，电容器所带电荷量逐渐减小，电容器两端电压逐渐减小，则电压表示数逐渐减小。 (3)根据电容定义式可得Q=CUC，由UC-t图像可知1~2 s内，电容器两端电压UC随时间均匀增大，则电容器电荷量随时间均匀增大，根据I1=，可知1~2 s内，电容器充电且电流恒定不变，电阻R两端电压恒定不变，根据欧姆定律可得UR1=I1R；2~3 s内，电容器两端电压UC不变，则电容器电荷量不变，电流为0，则电阻R两端电压为0；3~5 s内，电容器两端电压UC随时间均匀减小，则电容器电荷量随时间均匀减小，根据I2==-×=-I1，可知3~5 s内，电容器放电电流恒定不变，电阻R两端电压恒定不变，根据欧姆定律可得UR2=I2R=-I1R=-UR1，A正确。 答案：(1)见解析图　(2)逐渐减小　逐渐增大　不为0　为0　逐渐减小　(3)A 5.(2025·苏锡常镇二模)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，在开关闭合前必须要完成的实验步骤是　　　　　　　　　　　　　　　　　。  (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：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  (5)开关闭合过程中，分别记录电流表和数字电压表的读数I和U，利用数据绘制I-U关系如图5所示，由图像可得出电阻箱接入电路的阻值为　　　　Ω。  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，电流表指针指在170 μA到180 μA之间，故电流表读数为175 μA。 (3)根据I-t图像的物理意义可知I-t图线与坐标轴围成的面积为电容器两端的电荷量，题图4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为Q=225q=1.125×10-2 C，故电容器的电容为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。 (5)根据闭合电路的欧姆定律可以得出 E=I+U 可得I=- 故图像斜率k=-= Ω-1，代入RA=500 Ω，解得R≈9 645 Ω。 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　(5)9 645(9 200~9 800均可) 6.用图甲所示电路观察电容器的充、放电现象，现提供如下实验器材：电源E(电动势为3 V，内阻不计)、电容器C(标称电容1 000 μF)、电阻箱R(0~9 999 Ω)、微安表G(量程500 μA，内阻为2 kΩ)、单刀双掷开关S和导线若干。 (1)根据图甲电路在图乙中用笔画线代替导线将实物电路连接完整； (2)将开关S拨至位置1，电容器上极板带　　　　电(选填“正”或“负”)；  (3)充电完毕，将开关S拨至位置2，根据测得数据作出电路中的电流i随时间t变化的图像如图丙所示，则电阻箱接入电路的阻值为　　　　kΩ；  (4)图丙中曲线与横轴围成的区域共有148个小格，则电容器电容的测量值为　　　　μF(结果保留3位有效数字)；  (5)根据图丙可作出电容器所带电荷量q随时间t变化的图像。某小组两次实验中电阻箱接入电路的阻值分别为Ra和Rb，Ra>Rb，对应的q-t图像为曲线a和b。则下列图像中可能正确的是　　　。  解析：(1)实物电路连线如图所示。 (2)将开关S拨至位置1，电容器上极板与电源正极相连，故上极板带正电。 (3)充电完毕，将开关S拨至位置2，根据测得数据作出电路中的电流i随时间t变化的图像如题图丙所示，则电阻箱接入电路的阻值为R=-RG=Ω=8 kΩ。 (4)由q=It可知，i-t图线与坐标轴所围成的面积表示电荷量，即Q=148×20×10-6×1 C=2.96×10-3 C，根据电容器的电容公式可知C== F≈987 μF。 (5)因电容器所带电荷量最大值不随电阻R而改变，所以a、b图线的纵截距相同，A、B错误；由q=It可知，q-t图像斜率的绝对值表示电流大小，图像中斜率小的对应电阻大的，C错误，D正确。 答案：(1)见解析图　(2)正　(3)8　(4)987　(5)D 36 / 78 $