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1、第5讲实验：观察电容器的充、放电现象把握经典实验方案一、基本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、核心关键数据处理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A1读数由大到小最后为零电压表V读数由小到大最后为6 V电容器放电灯泡L亮度由明到暗最后熄灭电流表A2读数由大到小最后为零电压表V读数由大到小最后为零融通多彩实验方案
2、鲁科版新教材观察电容器的充、放电现象实验电路图：要点解读(1)电压表、电解电容器正、负极不能接反。(2)连接电路时开关要断开，电压表量程选择适当。归纳共性实验关键1不变的实验原理通过观察连接在回路中的电流表和电压表示数变化，得出电容器充、放电过程的特点。2必备的实验器材直流电源、导线、单刀双掷开关、电容器、定值电阻、电流表(电流传感器)、电压表(电压传感器)。3共同的注意事项(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。考查点(一)电容器充、放电现象的定性分析1(2022广州模拟)如图为
3、研究电容器充、放电现象的实验电路图，开始电容器不带电。实验开始时，首先将开关S合向1，这时观察到灵敏电流计G有短暂的示数，这说明电路中有电流流过，这个过程叫作_，经过这一过程，电容器的两极板就会带上等量的异号电荷，其上极板带_电荷(填“正”或“负”)，电路稳定后灵敏电流计G的示数为零。当把开关S由1合向2时，有_(填“自左向右”或“自右向左”)流过灵敏电流计G的短暂电流，这个过程叫_。解析：将开关S合向1，电源与电容器连通，电路中有电流流过，说明电源在给电容器储存电荷，这过程叫作充电；经过这一过程，电容器的两极板就会带上等量的异号电荷，其上极板带正电荷；当把开关S由1合向2时，从电势高的正极板
4、能形成电流到电势低的负极板，则有自右向左流过灵敏电流计G的短暂电流，这个过程叫放电。答案：充电正自右向左放电2电容器作为储能器件，在生产生活中有广泛的应用。对给定电容值为C的电容器充电，无论采用何种充电方式，其两极间的电势差u随电荷量q的变化图像都相同。(1)请在图1中画出上述u-q图像。类比直线运动中由v-t图像求位移的方法，求两极间电压为U时电容器所储存的电能Ep。(2)在如图2所示的充电电路中，R表示电阻，E表示电源(忽略内阻)。通过改变电路中元件的参数对同一电容器进行两次充电，对应的q-t曲线如图3中所示。a两条曲线不同是_(填“E”或“R”)的改变造成的；b电容器有时需要快速充电，有
5、时需要均匀充电。依据a中的结论，说明实现这两种充电方式的途径。(3)设想使用理想的“恒流源”替换(2)中电源对电容器充电，可实现电容器电荷量随时间均匀增加。请思考使用“恒流源”和(2)中电源对电容器的充电过程，填写下表(填“增大”“减小”或“不变”)。电源“恒流源”(2)中电源电源两端电压通过电源的电流解析：(1)u-q图像如图所示。电压为U时，电容器带电Q，图线和横轴围成的面积表示所储存的电能Ep，EpQU，又QCU，故EpCU2。(2)a.由图像知，电容器充完电后，两次电荷量相等，由QCUCE知，两次电源电动势相等。故两条曲线不同不是E的改变造成的，只能是R的改变造成的。b.刚开始充电瞬间
6、，电容器两端的电压为零，电路的瞬时电流为I，故减小电阻R，刚开始充电瞬间电流I大，曲线上该点切线斜率大，即为曲线。这样能在较短时间内使电荷量达到最大，故可以实现对电容器快速充电。增大电阻R，刚开始充电瞬间电流I小，即为曲线，该曲线接近线性，可以实现均匀充电。(3)接(2)中电源时，由于忽略电源E的内阻，故电源两端电压不变。通过电源的电流I，随着电容器两端电压U不断变大，通过电源的电流减小。“恒流源”是指电源输出的电流恒定不变。接“恒流源”时，随着电容器两端电压的增大，“恒流源”两端电压增大。答案：(1)u-q图像见解析图EpCU2(2)a.R b减小电阻R，可以实现对电容器快速充电；增大电阻R
7、，可以实现均匀充电。(3)电源“恒流源”(2)中电源电源两端电压增大不变通过电源的电流不变减小3.某同学利用图甲所示电路测量电容器充电时两极板间的电压随时间的变化。实验中使用的器材为：电池E(内阻很小)、开关S1和S2、电容器C(约100 F)、电阻R1(约200 k)、电阻R2(1 k)、电压表V(量程6 V)、停表、导线若干。(1)按图甲所示的电路原理图将图乙中实物图连接起来。(2)先闭合开关S2，再断开开关S2；闭合开关S1，同时按下停表开始计时。若某时刻电压表的示数如图丙所示，电压表的读数为_V(保留2位小数)。(3)该同学每隔10 s记录一次电压表的读数U，记录的数据如下表所示。在给
8、出的坐标纸上绘出Ut图线。已知只有一个数据点误差较大，该数据点对应的时间是_ s。时间t/s10.020.030.040.050.060.0电压U/V2.143.454.234.515.005.18(4)电路中C、R2和S2构成的回路的作用是_。解析：(2)电压表每小格代表0.1 V，且读数要求保留两位小数，其读数为3.60 V。(3)绘出Ut图线，偏离图线最远的点误差最大，由此确定t40.0 s时对应的数据误差最大。(4)测量电容器充电时两极板间的电压随时间的变化，必须保证开始(t0)时，电容器不带电。电路中C、R2和S2构成回路的作用就是在实验开始前，通过闭合S2，使电容器放电，特别是当实
9、验需要重复多次时，在重复实验前必须先对电容器放电。答案：(1)如图甲所示(2)3.60(3)如图乙所示40.0(4)对电容器进行放电，方便实验多次测量考查点(二)电容器充、放电现象的定量计算4(2022河北衡水模拟)在“用传感器观察电容器的充、放电现象”实验中，电路图如图甲。一位同学使用的电源电动势为10.0 V，测得放电的It图像如图乙所示。(1)若按“四舍五入(大于半格算一个，小于半格舍去)”法，根据“It图像与两坐标轴包围面积”，电容器在全部放电过程中释放的电荷量约为_C。(结果保留两位有效数字)(2)根据以上数据估算电容器的电容值为_F。(结果保留两位有效数字)(3)如果将电阻R换一个
10、阻值更大的电阻，则放电过程释放的电荷量_(填“变多”“不变”或“变少”)。解析：(1)电容器的放电图像是一条逐渐下降的曲线，而qIt，从微元法得到，It图像与坐标轴围成的面积就是总的电荷量，可数出图像下共有42格，所以电容器在全部放电过程中释放的电荷量约为Q420.0010.4 C0.017 C。(2)由(1)知道，电容器充满电后所带的电荷量Q0.017 C，而所加电压UE10 V，所以C0.001 7 F。(3)若将电阻换一个阻值较大电阻，由于电容器电荷量一定，则所有电荷量将通过电阻R释放，只是图像更加平缓些，但总量不变。答案：(1)0.017(0.0160.018均可)(2)0.001 7
11、(0.001 60.001 8均可)(3)不变5在测定电容器电容的实验中，将电容器、电压传感器、阻值为3 k的电阻R、电源、单刀双掷开关按图甲所示电路图进行连接。先使开关S与1端相连，电源向电容器充电，充电完毕后把开关S掷向2端，电容器放电，直至放电完毕。实验得到的与电压传感器相连接的计算机所记录的电压随时间变化的u-t曲线，如图乙所示，图丙为由计算机对图乙进行数据处理后记录的“峰值”及曲线与时间轴所围“面积”。(1)根据图甲所示的电路，观察图乙可知：充电电流与放电电流方向_(填“相同”或“相反”)，大小都随时间_(填“增大”或“减小”)。(2)该电容器的电容值为_F。(结果保留两位有效数字)
12、(3)某同学认为：仍利用上述装置，将电压传感器从电阻两端改接在电容器的两端，也可以测出电容器的电容值。请你分析并说明该同学的说法是否正确。解析：(1)由题图甲、乙可知，充电和放电时R两端的电势相反，说明流过R的电流方向相反；电压均随时间减小，说明电流均随时间减小。(2)根据欧姆定律I，图像的面积表示Ut，可知图像面积与R的比值表示电荷量。故极板所带最大电荷量q C0.060 9 C，该电容器的电容值C F1.0102 F。(3)该同学的说法正确。因为当开关S与2连接，电容器放电的过程中，电容器C与电阻R上的电压大小相等，因此通过对放电曲线进行数据处理后记录的“峰值Um”及曲线与时间轴所围“面积S”，仍可应用C计算电容值。答案：(1)相反减小(2)1.0102(3)见解析