資源簡介

(共52張PPT)
第八章　靜電場
實驗十　觀察電容器的充電、放電現象
實驗儲備·一覽清
實驗類型·全突破
類型1　教材原型實驗
[典例1]　(2024·廣東深圳一模)利用圖甲所示電路研究電容器充放電過程，開關接1端后，電流傳感器G記錄電流隨時間變化的圖像如圖乙所示。則電容器電容C、極板電荷
量Q、上極板電勢φ、兩端電壓U隨
時間t的變化規律正確的是(　　)
√
B　[電容器的電容不會因為充電而發生變化，電容的值取決于其內部性質，所以電容C不變，故A錯誤；開關接1端后，電容器與電源相連，開始充電，電容器上電量Q、兩端電壓U都會隨時間增大，故B正確，D錯誤；電容器下極板接地，所以上極板的電勢φ等于電容器兩端電壓，隨時間增大，故C錯誤。故選B。]
[典例2]　如圖為研究電容器充放電現象的實驗電路圖，開始時電容器不帶電。實驗開始時，首先將開關S合向1，這時觀察到靈敏電流計G有短暫的示數，這說明電路中有電流流過，這過程叫作________，經過這一過程，電容器的兩極板就會帶上等量的異種電荷，其上極板帶________(選填“正”或“負”)電荷，電路穩定后靈敏電流計G的示數為零。當把開關S由1合向2時，有___________(選填“自左向右”或“自右向左”)流過靈敏電流計G的短暫電流，
這個過程叫作________。
充電
正
自右向左
放電
[解析]　將開關S合向1，電源與電容器連通，電路中有電流流過，說明電源在給電容器儲存電荷，這過程叫作充電；經過這一過程，電容器的兩極板就會帶上等量的異種電荷，其上極板帶正電荷；當把開關S由1合向2時，從電勢高的正極板能形成電流到電勢低的負極板，則有自右向左流過靈敏電流計G的短暫電流，這個過程叫作放電。
[典例3]　如圖甲是用高電阻放電法測電容的實驗電路圖。其原理是測出電容器在充電電壓為U時所帶的電荷量Q，從而求出其電容C。該實驗的操作步驟如下：
(1)按電路圖接好實驗電路；
(2)接通開關S，調節電阻箱R的阻值，使微安表的指針接近滿刻度。記下這時的電壓表讀數U0＝6.2 V 和微安表讀數I0＝490 μA；
(3)斷開開關S并同時開始計時，每隔5 s或10 s讀一次微安表的讀數i，將讀數記錄在預先設計的表格中；
(4)根據表格中的12組數據，以t為橫坐標，i為縱坐標，在坐標紙上描點，如圖乙所示(圖中用“×”表示)。
根據以上實驗結果的圖像，可以估算出當
電容器兩端電壓為U0時該電容器所帶的電
荷量Q0約為____________ C，從而算出該
電容器的電容約為____________ F。
8.75×10-3　
1.4×10-3
[解析]　(4)按照題圖乙中的點，用光滑曲線把它們依次連接起來，得到i-t圖線，圖線和時間軸所圍的面積就是放電電荷量，即原來電容器的帶電荷量。每小格相當于2.5×10-4 C，用四舍五入法數得小方格有35個，所以Q0＝8.75 ×10-3 C。再由C＝，得C≈1.4×10-3 F。
類型2　拓展創新實驗
考向1　實驗器材創新
[典例4]　電容儲能已經在電動汽車、風、光發電、脈沖電源等方面得到廣泛應用。某同學設計圖甲所示電路，探究不同電壓下電容器的充、放電過程，器材如下：
電容器C(額定電壓10 V，電容標識不清)；
電源E(電動勢12 V，內阻不計)；
電阻箱R1(阻值0～99 999.9 Ω)；
滑動變阻器R2(最大阻值20 Ω，額定電流2 A)；
電壓表V(量程15 V，內阻很大)；
發光二極管D1、D2，開關S1、S2，電流傳感器，計算機，導線若干。
回答以下問題：
(1)按照圖甲連接電路，閉合開關S1，若要升高電容器充電電壓，滑動變阻器滑片應向________(選填“a”或“b”)端滑動。
(2)調節滑動變阻器滑片位置，電壓表表盤如圖乙所示，示數為________(結果保留1位小數)V。
b
6.5
(3)繼續調節滑動變阻器滑片位置，電壓表示數為8.0 V時，開關S2擲向1，得到電容器充電過程的I-t圖像，如圖丙所示。借鑒“用油膜法估測油酸分子的大小”實驗中估算油膜面積的方法，根據圖像可估算出充電結束后，電容器存儲的電荷量為__________C(結果保留2位有效數字)。
3.7×10-3　
(4)本電路中所使用電容器的電容約為____________F(結果保留2位有效數字)。
(5)電容器充電后，將開關S2擲向2，發光二極管________(選填“D1”或“D2”)閃光。
4.6×10-4
D1
[解析]　(1)題圖甲中滑動變阻器為分壓式接法，滑動變阻器滑片左側的部分與電容器并聯，要升高電容器兩端的電壓，滑動變阻器的滑片應向b端滑動。
(2)電壓表量程為15 V，分度值為0.5 V，則電壓表示數為6.5 V。
(3)題圖丙中圖線與坐標軸所圍圖形的面積有37格，則Q＝37× C＝3.7×10-3 C。
(4)由Q＝CU，得C＝ F≈4.6×10-4 F。
(5)電容器充電后，左板電勢高，電容器放電時電流由左板經導線流出，故D1閃光。
創新點解讀　本題的創新之處在于應用電流傳感器結合計算機模擬信號分析電流的變化規律代替通過記錄電流表讀數變化列表畫圖分析數據。
考向2　實驗方法創新
[典例5]　在測定電容器電容值的實驗中，將電容器、電壓傳感器、阻值為3 kΩ的電阻R、電源、單刀雙擲開關按圖甲所示電路圖進行連接。先使開關S與1端相連，電源向電容器充電，充電完畢后把開關S擲向2端，電容器放電，直至放電完畢。實驗得到的與電壓傳感器相連接的計算機所記錄的電壓隨時間變化的u-t曲線如圖乙所示，圖丙為由計算機對圖乙進行數據處理后記錄了“峰值”及曲線與時間軸所圍“面積”的圖。
(1)根據圖甲所示的電路，觀察圖乙可知：充電電流與放電電流方向________(選填“相同”或“相反”)，大小都隨時間________(選填“增加”或“減小”)。
(2)當開關接“1”時，是充電還是放電？上極板帶什么電？
(3)某同學認為：仍利用上述裝置，將電壓傳感器從電阻兩端改接在電容器的兩端，也可以測出電容器的電容值。請你分析并說明該同學的說法是否正確。
相反
減小
[解析]　(1)根據題圖甲所示的電路，觀察題圖乙可知：充電電流與放電電流方向相反，大小都隨時間減小。
(2)當開關接“1”時，是與電源連接，是充電，且上極板帶正電。
(3)正確。因為當開關S與2連接，電容器放電的過程中，電容器C與電阻R上的電壓大小相等，因此通過對放電曲線進行數據處理后記錄的“峰值Um”及曲線與時間軸所圍“面積S”，可應用C＝＝計算電容值。
[答案]　(2)充電　帶正電　(3)見解析
創新點解讀　本題的創新之處在于由觀察電容器的充放電拓展為應用電壓傳感器結合計算機模擬信號測量電容器的電容。
實驗針對訓練(十)　觀察電容器的充電、放電現象
1．(2024·浙江1月選考)在“觀察電容器的充、放電現象”實驗中，把電阻箱R(0～9 999 Ω)、一節干電池、微安表(量程0～300 μA，零刻度在中間位置)、電容器C(2 200 μF、16 V)、單刀雙擲開關組裝成如圖1所示的實驗電路。
(1)把開關S接1，微安表指針迅速向右偏轉后示數逐漸減小到零；然后把開關S接2，微安表指針偏轉情況是________。
A．迅速向右偏轉后示數逐漸減小
B．向右偏轉示數逐漸增大
C．迅速向左偏轉后示數逐漸減小
D．向左偏轉示數逐漸增大
C
(2)再把電壓表并聯在電容器兩端，同時觀察電容器充電時電流和電壓變化情況。把開關S接1，微安表指針迅速向右偏轉后示數逐漸減小到160 μA時保持不變；電壓表示數由零逐漸增大，指針偏轉到如圖2所示位置時保持不變，則電壓表示數為________ V，電壓表的阻值為________ kΩ(計算結果保留2位有效數字)。
0.50
3.1
[解析]　(1)把開關S接1，電容器充電，電流從右向左流過微安表，微安表指針迅速向右偏轉后示數逐漸減小到零；把開關S接2，電容器放電，電流從左向右流過微安表，則微安表指針迅速向左偏轉后示數逐漸減小。故選C。
(2)由題意可知電壓表應選用0～3 V量程，由題圖2可知此時分度值為0.1 V，需要估讀到0.01 V，則讀數為0.50 V。當微安表示數穩定時，電容器中不再有電流通過，此時干電池、電阻箱、微安表和電壓表構成回路，根據歐姆定律有RV＝＝ Ω≈3.1 kΩ。
2．在“用傳感器觀察電容器的充電和放電”實驗中，電路圖如圖甲所示。一位同學使用的電源電動勢為10.0 V，測得電容器放電的
I-t圖像如圖乙所示。
(1)若按“四舍五入(大于半格算一個，小于半格舍去)”法，根據“I-t 圖線與兩坐標軸包圍面積”，電容器在全部放電過程中釋放的電荷量約為___________________C(結果保留2位有效數字)。
(2)根據以上數據估算電容器的電容值為_______________________F(結果保留2位有效數字)。
(3)如果將電阻R換為一個阻值更大的電阻，則放電過程釋放的電荷量________(選填“變多”“不變”或“變少”)。
0.017(0.016～0.018)　
0.001 7(0.001 6～0.001 8)
不變
[解析]　(1)由題圖可知電容器的放電圖像是一條逐漸下降的曲線，而q＝It，從微元法得到，I-t 圖線與坐標軸圍成的面積就是總的電荷量，經確認圖線下共有42格，所以電容器在全部放電過程中釋放的電荷量約為Q＝42×0.001×0.4 C≈0.017 C。
(2)從上一問知道，電容器充滿電后所帶的電荷量Q＝0.017 C，而所加電壓U＝E＝10 V，所以C＝＝0.001 7 F。
(3)若將電阻換為一個阻值較大電阻，由于電容器電荷量一定，則所有電荷將通過電阻R釋放，只是圖像更加平緩些，但總量不變。
3．在“觀察電容器的充、放電現象”實驗中，所用器材如下：電池、電容器、電阻箱、定值電阻、小燈泡、多用電表、電流表、秒表、單刀雙擲開關以及導線若干。
(1)用多用電表的電壓擋檢測電池的電壓。檢測時，紅表筆應該與電池的________(選填“正極”或“負極”)接觸。
正極
(2)某同學設計的實驗電路如圖(a)所示。先將電阻箱的阻值調為R1，將單刀雙擲開關S與“1”端相接，記錄電流隨時間的變化。電容器充電完成后，開關S再與“2”端相接，相接后小燈泡亮度變化情況可能是________(選填正確答案標號)。
A．迅速變亮，然后亮度趨于穩定
B．亮度逐漸增大，然后趨于穩定
C．迅速變亮，然后亮度逐漸減小至熄滅
C
(3)將電阻箱的阻值調為R2(R2＞R1)，再次將開關S與“1”端相接，再次記錄電流隨時間的變化情況。兩次得到的電流I隨時間t的變化如圖(b)中曲線所示，其中實線是電阻箱阻值為________(選填“R1”或“R2”)時的結果，曲線與坐標軸所圍面積等于該次充電完成后電容器上的___________(選填“電壓”或“電荷量”)。
R2
電荷量
[解析]　(1)檢測電池電壓時，電流從電池正極流出，多用電表要求電流“紅進黑出”，故紅表筆接電池正極。
(2)當開關S接“1”時，電容器充電，充電完成后電容器兩端電壓最大，當開關S接“2”時電容器放電，電流從正極板經小燈泡后流向負極板，小燈泡迅速變亮，隨著電流通過，正、負極板電荷中和，電容器所帶電荷量減小，根據C＝可知，電容器兩端電壓降低，則小燈泡亮度逐漸減小至熄滅，C正確。
(3)接通瞬間，電容器兩端電壓為零，電阻R兩端電壓等于電池電壓，根據歐姆定律I＝可知，剛接通時＝，由于R2＞R1，所以I1＞I2，則題圖(b)中實線是電阻箱阻值為R2時的結果；根據平均電流定義式 t，故曲線與坐標軸所圍圖形的面積等于該次充電完成后電容器上的電荷量。
4．(2024·廣東廣州二模)用圖甲所示的電路觀察電容器的充、放電現象，請完成下列實驗內容。
(1)實驗時，要通過電流表指針的偏轉方向來觀測電路中電流的方向，因此電流表應采用圖乙中的________(選填“a”或“b”)。
(2)依照圖甲所示的電路圖，將圖乙的實驗器材用筆畫線代替導線連接成實驗電路(圖中已有部分連接)。
(3)開關S接1后，小燈泡L________(選填選項前的字母)。
A．一直不亮
B．逐漸變亮，穩定后保持亮度不變
C．突然變亮，然后逐漸變暗，直到熄滅
a
見解析圖
C
(4)開關S接1足夠長時間后，再將開關S接2。開關S接2之后電壓表讀數____________(選填“逐漸增大”或“逐漸減小”)。
(5)圖乙中電容器的電容為________μF。當電容器的電壓為10 V時其帶電量為________C(結果保留2位有效數字)。
逐漸減小
3 300
0.033
[解析]　(1)表a能判斷出電流的方向，而表b只能判斷有無電流，故電流表應選擇題圖乙中的a。
(2)實驗電路圖如圖所示。
(3)開關S接1后，在通電瞬間電容器的電阻較小，穩定后電容器相當于斷路，所以小燈泡L會突然變亮，然后逐漸變暗，直到熄滅，故C正確，A、B錯誤。
(4)開關接2后，電容器開始放電，根據公式Q＝CU可知，電容器的電容保持不變，但電荷量減小，所以電勢差減小，因此電壓表讀數逐漸減小。
(5)題圖乙中電容器的電容為3 300 μF，根據公式Q＝CU可知，當電壓為10 V時，Q＝3 300×10-6×10 C＝0.033 C。
5．電容器作為儲能器件，在生產生活中有廣泛的應用。對給定電容值為C的電容器充電，無論采用何種充電方式，其兩極間的電勢差u隨電荷量q的變化圖像都相同。
(1)請在圖1中畫出上述u-q圖像。類比直線運動中由v-t圖像求位移的方法，求得兩極間電壓為U時電容器所儲存的電能Ep為________。
見解析圖
　CU2
(2)如圖2所示的充電電路中，R表示電阻，E表示電源(忽略內阻)。通過改變電路中元件的參數對同一電容器進行兩次充電，對應的q-t曲線如圖3中①②所示。
a．①②兩條曲線不同是_______(選填“E”或“R”)的改變造成的。
b．電容器有時需要快速充電，有時需要均勻充電。依據a中的結論，說明實現這兩種充電方式的途徑。
R
___________________________________________________________
___________________________________________________________。
減小電阻R，可以實現對電容器快速充電；增大電阻R，可以實現均勻充電
(3)設想使用理想的“恒流源”替換(2)中電源對電容器充電，可實現電容器電荷量隨時間均勻增加。請思考使用“恒流源”和(2)中電源對電容器的充電過程，填寫下表(選填“增大”“減小”或“不變”)。
電源 “恒流源” (2)中電源
電源兩端電壓
通過電源的電流
增大
不變
不變
減小
[解析]　(1)u-q圖像如圖所示。
電壓為U時，電容器帶電荷量為Q，
圖線和橫軸圍成的面積表示所儲存的電能Ep，則
Ep＝QU
又Q＝CU，故Ep＝CU2。
(2)a．因電容器充完電后，①②兩次電荷量相等，由Q＝CU＝CE知，兩次電源電動勢相等，故①②兩條曲線不同不是E的改變造成的，只能是R的改變造成的。
b．剛開始充電瞬間，電容器兩端的電壓為零，電路的瞬時電流為I＝，故減小電阻R，剛開始充電瞬間電流I大，曲線上該點切線斜率大，即為曲線①，這樣能在較短時間內使電荷量達到最大，故可以實現對電容器快速充電。增大電阻R，剛開始充電瞬間電流I小，即為曲線②，該曲線接近線性，可以實現均勻充電。
(3)“恒流源”是指電源輸出的電流恒定不變，接“恒流源”時，隨著電容器兩端電壓的增大，“恒流源”兩端電壓增大；接(2)中電源時，由于忽略電源E的內阻，故電源兩端電壓不變。通過電源的電流I＝，隨著電容器兩端電壓U不斷變大，通過電源的電流減小。
謝 謝 ！

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