实验 观察电容器的充放电 专项训练-2027届高考物理一轮复习

实验：观察电容器的充放电

第一部分：核心原理

方法原理
电容器充放电过程遵循与闭合电路欧姆定律。充电时电源将电荷“泵”入极板，放电时电容器自身充当“电源”向外释放电荷。图像中，图线与横轴围成的面积在数值上等于电荷量（），是处理充放电定量问题的核心工具。

核心考点

1. 极板电性判断与放电电流方向判定；
2. 平行板电容器动态分析（，）；
3. 图像面积求电荷量及比例分配；
4. 放电回路中电容器作为“电源”时的电压与电阻计算。

易错点

• 误认为放电时电源电动势仍参与回路压降（实际放电时电源已断开，电容器两端电压直接等于外电阻电压）；
• 平行板动态分析中混淆“电荷量不变”与“电压不变”的条件（含二极管时电荷被锁定）；
• 用图像面积比例求电压时，忘记电压与剩余电荷量成正比，而非与放出量成正比。

第二部分：例题导学

题干（2024·海南高考15题）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、电容器、电压表、电流表、电流传感器、计算机、定值电阻、单刀双掷开关、开关、导线若干。

图(a)：电源与串联；为单刀双掷开关，接1时经电流表与电容器上极板相连，接2时经定值电阻（在上、在下）与电容器上极板相连；电压表并联在电容器两端。
图(b)：放电电流随时间变化的图像，处电流为，图线下方以为界分为、两个区域，面积比为。

问题链

1.闭合开关，将接1时，电容器的上、下极板谁带正电？为什么？

2.充电结束后，若断开开关和，仅增大平行板电容器两极板间的距离（假设此时电路中串联了一个正向理想二极管），电容器内部的电场强度会怎么改变？

3.先后断开、，将电流表换成电流传感器，再将接2。此时通过定值电阻的电流方向是怎样的？（注意图中在上，在下）

4.（衔接问题）结合图(b)的图像，图线与坐标轴围成的面积代表什么物理量？为什么？

5.已知时，电流，图中、区域面积比为。那么内放出的电荷量占电容器总放电电荷量的比例是多少？

6.充电结束时，电压表示数为。此时电容器所带总电荷量如何表示？（用和表示）

7.在放电过程中，电源已经断开，电容器本身相当于“电源”。请推导时电容器两端的电压是多少？

8.根据第7问的电压，结合时的电流，如何求出定值电阻的阻值？（保留两位有效数字）

9.（拓展）在的放电过程中，定值电阻上产生的焦耳热可以如何计算？（提示：利用能量守恒，不要求算出具体数值）

第三部分：巩固提升

一、实验题

1．物理兴趣实验小组的同学利用如图甲所示的电路观察电容器的充、放电现象，其中为电源，S为单刀双掷开关，为定值电阻，C为电容器，A为理想电流表，V为理想电压表。

(1)当开关S接__________（填“1”或“2”）时，电容器处于充电过程

(2)开关S掷向2后，通过电流表A的电流方向为________________。（填“从左到右”或“从右到左”）

(3)图乙为电容器放电时的图像，已知电容器放电之前的电压为3 V，乙图中图像与横轴围成的面积约（），该电容器的实测电容值为__________F（结果保留2位有效数字）。

(4)若不改变电路其他参数，只减小电阻，放电时曲线与横轴所围成的面积将__________（填“变大”、“变小”或“不变”）。

2．某同学做探究电容器充、放电实验的电路示意图如图甲所示，电源电动势E=8.0V，内阻不可忽略。开关S接1端对电容器充电，待充电稳定后，将开关拨至2端，电容器通过电阻R放电，电流传感器记录放电过程，得到的Ⅰ-t图像如图乙所示。

(1)开关接1端充电至稳定状态，下列说法正确的是 。

A．充电稳定后，电容器两端电压小于电源电动势

B．放电过程中电容随带电荷量的减少而变小

C．减小电阻R，I-t图像与坐标轴围成面积不变，放电变快

(2)实验通过数方格求得放电总电荷量。忽略电源内阻，电容器的电容为__________F（保留两位有效数字）；若考虑电源内阻，该实验测得的电容测量值与真实值相比__________（选填“存在”或“不存在”）偏差。

(3)在图丙中定性画出电容器完整充、放电全过程的q-t图像。标注充电、放电阶段，体现曲线凹凸特点。

3．某同学用题图1所示电路来探究一电容器的充放电性能。A为理想电流传感器，V为理想电压传感器，R为定值电阻，E为直流电源。主要实验步骤如下：

①将电流传感器和电压传感器分别与计算机连接；

②将单刀双掷开关S接1，利用计算机得到电流和电压随时间变化的图像；

③将单刀双掷开关S接2，再次利用计算机得到电流和电压随时间变化的图像；

④导出所得的4张图像，如题图2所示。

请回答下列问题：

(1)开关S接1时的图像是题图2中的________（选填“A”或“B”）。

(2)开关S接1时的图像如题图2中C所示，已知图中曲线与坐标轴围成的面积，则该电容器的电容________F（保留两位有效数字）。

(3)若题图2-D中、区域的面积之比为1∶1，则定值电阻________。

开关接1时，电容器上极板接电源正极，充电完成后上极板带正电。

[2]图（b）是放电电流大小随时间变化的图像，由电流的定义，可知图线与时间轴围成的面积表示相应时间内通过电路的电荷量。设充电完成时电容器一个极板所带电荷量的绝对值为，时剩余电荷量的绝对值为。面积表示前内释放的电荷量，面积表示此后继续放电释放的电荷量，也就是该时刻的剩余电荷量，因此有

设充电完成时电容器两端电压为，则。电容不变，由电容定义式，有和

结合上述电荷量之比可得

[3]开关接2后，电源不在放电回路中，电容器两端电压等于电阻两端电压。在时，由欧姆定律得，代入该时刻的电压和电流，得