新高考物理一轮复习实验重难点专题实验09 观察电容器的充、放电现象（含解析）

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实验09 观察电容器的充、放电现象1.了解电容器的充电、放电过程，会计算电容器充、放电电荷量2.了解影响平行板电容器电容大小的因素，能利用公式判断平行板电容器电容的变化1．实验原理(1)电容器的充电过程如图所示，当开关S接1时，电容器接通电源，在静电力的作用下自由电子从正极板经过电源向负极板移动，正极板因失去电子而带正电，负极板因获得电子而带负电．正、负极板带等量的正、负电荷．电荷在移动的过程中形成电流．在充电开始时电流比较大(填“大”或“小”)，以后随着极板上电荷的增多，电流逐渐减小(填“增大”或“减小”)，当电容器两极板间电压等于电源电压时电荷停止定向移动，电流I＝0 .(2)电容器的放电过程如图所示，当开关S接2时，相当于将电容器的两极板直接用导线连接起来，电容器正、负极板上电荷发生中和．在电子移动过程中，形成电流．放电开始电流较大(填“大”或“小”)，随着两极板上的电荷量逐渐减小，电路中的电流逐渐减小(填“增大”或“减小”)，两极板间的电压也逐渐减小到零．2．实验步骤(1)按图连接好电路．(2)把单刀双掷开关S打在上面，使触点1和触点2连通，观察电容器的充电现象，并将结果记录在表格中．(3)将单刀双掷开关S打在下面，使触点3和触点2连通，观察电容器的放电现象，并将结果记录在表格中．(4)记录好实验结果，关闭电源．3．注意事项(1)电流表要选用小量程的灵敏电流计．(2)要选择大容量的电容器．(3)实验要在干燥的环境中进行．【典例1】（2022·浙江温州·高一期末）在“观察电容器的充、放电现象”实验中，（1）用如图1所示的电容器做实验，电容器外壳上面标着“2200μF，10V”，下列说法正确的是_________；A．电容器的击穿电压为10VB．电压为10V时，电容器才正常工作C．电容器电压为5V时，电容是2200μFD．电容器电压为5V时，电容是1100μF（2）把干电池、电阻箱、电容器、电流表、单刀双掷开关S按图2电路图连成实验电路如图3所示，将电阻箱调到合适阻值。①先使开关S接1，电源给电容器充电，观察到电流表指针偏转情况为____________；A．逐渐偏转到某一刻度后保持不变             B．逐渐偏转到某一刻度后迅速回到0C．迅速偏转到某一刻度后保持不变             D．迅速偏转到某一刻度后逐渐减小到0②电容器充电完毕，断开开关，此时如图2所示电路图中电容器上极板____________（填“带正电”、“带负电”或“不带电”）；③然后将开关S接2，电容器放电。在放电过程中，电路中的电流大小为，电容器所带电荷量为，电容器两极板电势差为，电容器的电容为。下面关于、、、随时间的变化的图像，正确的是____________。A． B．C． D．【答案】     C     D     带正电     B【解析】（1）[1]A．10V是电容器的额定电压，不是电容器的击穿电压，A错误；B．10V是电容器的额定电压，电压低于10V时，电容器也能正常工作，B错误；CD．电容与电容器所加电压无关，只与自身构造有关，可知电容器电压为5V时，电容是2200μF，C正确，D错误。故选C。（2）①[2] 使开关S接1，电源给电容器充电，电路瞬间有了充电电流，随着电容器所带电荷量逐渐增大，电容器两极板间的电压逐渐增大，充电电流逐渐减小，所以此过程中观察到电流表指针迅速偏转到某一刻度后逐渐减小到0，D正确，ABC错误。故选D。②[3]由电路图可知，电容器上极板与电源正极相连，故电容器充电完毕，断开开关，电容器上极板带正电。③[4]D．放电过程中，电容与电容器所带电荷量和电容器极板间电压没有关系，可知电容器电容保持不变，D错误；ABC．放电过程中，电容器所带电荷量逐渐减小，根据电容定义式可知电容器极板间电压逐渐减小，则放电电流逐渐减小，根据可知图像的切线斜率绝对值逐渐减小，B正确，AC错误。故选B。【典例2】（2022·辽宁一模）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）求两极间电压为U时电容器所储存的电能___________ （2）在如图1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，对应的曲线如图2①②中所示。a、①②两条曲线不同是___________（选填E或R）的改变造成的；b、电容器有时需要快速充电，有时需要均匀充电。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（选填“增大”、“减小”或“不变”）。 “恒流源”（2）中电源电源两端电压______________________通过电源的电流______________________【答案】          R     要快速度充电时，只要减小图2中的电阻R；要均匀充电时，只要适当增大图2中的电阻R即可     增大     不变     不变     减小【解析】（1）[1]根据图像的性质可知，图像与q轴所围成的面积表示电能，故有（2）[2]a、由图可知，充电时电流不同，而最大电量相等，故说明图像不同的原因是电阻R的改变造成的；[3]b、由图像可知，当R越小时充电时间越短；R越大时，电荷量随时间变化趋向增匀，故需要快速充电时，R越小越好；而需要均匀充电时，R越大越好；（3）[4][5][6][7]由于电容充电后两板间的电势差增大，因此需要恒流源的电压增大才能保证电量随时间均匀增加；而（2）中电源电动势不变，而内阻忽略不变，故两端电压不变；所以使用恒流源时，电流不变，而使用（2）中电源时电流减小。【典例3】（2022·北京房山·二模）电容器是一种重要的电学元件，在电工、电子技术中应用广泛。使用图甲所示电路观察电容器的充、放电过程。电路中的电流传感器与计算机相连，可以显示电路中电流随时间的变化。图甲中直流电源电动势E=8V，实验前电容器不带电。先使S与“1”端相连给电容器充电，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。（1）图像阴影为i-t图像与对应时间轴所围成的面积，表示的物理意义是___________；（2）乙图中阴影部分的面积___________；（选填“>”、“<”或“=”）（3）计算机测得，则该电容器的电容为___________F；（保留两位有效数字）（4）由甲、乙两图可判断阻值___________。（选填“>”、“<”或“=”）【答案】     电荷量     =     0.15     ＜【解析】（1）[1]根据可知i-t图像与对应时间轴所围成的面积表示的物理意义是电荷量。（2）[2]S1表示电容器充电后所带电荷量，S2表示电容器放电的电荷量，所以S1=S2（3）[3]该电容器的电容为（4）[4]由题图乙可知电容器充电瞬间电流比电容器放电瞬间电流大， 且电容器充电瞬间电源电压和放电瞬间电容器两端电压相等，则有所以【典例4】（2021·广东·揭阳华侨高中高三阶段练习）电流传感器可以像是电流表一样测量电流，不同的是它的反应非常快，可以捕捉到瞬间的电流变化。此外，由于它与计算机相连，还能显示出电流随时间变化的图像。实验电路图如甲所示，直流电源电动势，内阻可以忽略，电容器为几百微法的电解电容器。先使开关与1端相连，电源向电容器充电，这个过程可以在短时间内完成；然后把开关打向2端，电容器通过电阻放电，传感器将电流信息传入计算机，屏幕上显示电流随时间变化的图像。一位同学得到的图像如图乙所示。（1）在如图乙所示的图像中用阴影标记面积的物理意义是__________。（2）根据图甲中电路图，连接图丙中的实物图。(      )（3）如果不改变电路其他参数，只增大电阻，充电时曲线与横轴所围成的面积将__________（填“增大”“不变”或“变小”），充电时间将__________（填“变长”“不变”或“变短”）【答案】     通电时，充入电容器的电荷量          不变     变长【解析】（1）[1]将横坐标分成许多很小的时间间隔，在这些很小的时间间隔里，放电电流可以视为不变，则为这段时间内充入电容的电量，即这个阴影面积的物理意义是通电0.2秒充入电容（流过电阻R）的电荷量；（2）[2] 连接实物图： （3）[3]如果不改变电路其他参数，只增大电阻，将开关掷向1时，电容器的电压不变，由于电容器的电容不变，根据可知充入电容的电荷量不变，即充电时曲线与横轴所围成的面积将不变；[4]只增大电阻，由闭合电路欧姆定律知，将开关掷向1时电容器开始充电的电流减小，则曲线与纵轴交点的位置将向下移动，而充电时曲线与横轴所围成的面积将不变，所以充电时间将变长。【典例5】（2022·浙江温州）在“观察电容器的充、放电现象”实验中，（1）用如图1所示的电容器做实验，电容器外壳上面标明的“”的含义是__________A．电容器的击穿电压为B．电容器的额定电压为C．电容器在电压下才正常工作（2）把干电池、电阻箱、电容器、微安表、开关连成如图2所示的实验电路，闭合开关，观察到微安表指针偏转情况为__________A．逐渐变大后保持不变B．逐渐变大后迅速回到0C．迅速偏转到某一刻度后保持不变D．迅速偏转到某一刻度后逐渐减小（3）电流传感器可以像电流表一样测量电流，不同的是反应比较灵敏，可以和计算机相连直接显示电流与时间的变化图象。按如图3所示电路图连接好实验电路，开关与2接通待充电完成后，开关与1接通，电容器通过电阻放电，通过电阻的电流方向为__________（填“向左”或“向右”）。电流传感器将电流信息传入计算机，显示出电流随时间变化的图像如图4所示。根据图像估算出电容器全部放电过程中释放的电荷量为__________（保留三位有效数字）。【答案】     B     D     向右     ####【解析】（1）[1]电容器外壳上面标明的“”的含义是电容器的额定电压为，故选B。（2）[2]闭合开关，电容器将充电，随着电容器所带电荷量逐渐增大，其两端电压逐渐增大，充电电流逐渐减小，所以此过程中微安表的指针会迅速偏转到某一刻度，然后逐渐减小，故选D。（3）[3]根据电源正负极位置可知电容器充电后上极板带正电，所以其放电时通过电阻R的电流方向为向右。[4]I-t图像与坐标轴所围的面积表示电容器全部放电过程中释放的电荷量，由图可知【典例6】（2021·北京·北大附中高三阶段练习）某实验小组做“观察电容器充、放电现象”的实验。（1）同学甲用图所示的电路做实验。实验器材有电源、电阻、电容器、电流表、电压表以及单刀双掷开关。关于电源和电流表的选取，下列说法正确的是(     )A．交流电源、零刻度线在左侧的电流表B．交流电源、零刻度线在中间的电流表C．直流电源、零刻度线在左侧的电流表D．直流电源、零刻度线在中间的电流表（2）同学乙将同学甲电路中的电流表和电压表换成电流传感器和电压传感器。同学乙先使开关S与1端相连，稳定后得到图所示的图像，然后把开关S掷向2端，稳定后得到图所示的图像。根据图像，在表格内各空格处填上合理的答案。开关位置电容器是在充电还是在放电电流传感器中的电流正在增大还是减小S与1端相连________________________S与2端相连__________________________（3）请你结合图，画出S与1端相连后，通过电流传感器的电流随时间变化的图像。并分析说明，在该过程中，电流为什么会如此变化？(     )【答案】     D     充电     减小     放电     减小     见解析【解析】（1）[1]因为要观察电容器充、放电现象，只能选择直流电源，若选择交流电源，电流表将一直有示数。电流表要往左右两个方向偏，所以要选零刻度线在中间的电流表。故选D。（2）[2][3][4][5]开关S与1端相连后，此时由图像可知电压传感器中的电压正在增大，是电容器充电过程，电流传感器中的电流正在减小。开关S掷向2端后，此时由图像可知电压传感器中的电压正在减小，是放电过程，电流传感器中的电流正在减小。（3）[6]开关S与1端相连后，此时由图像可知电压传感器中的电压正在增大，是电容器充电过程，根据电容的定义式和电流的定义式有Q = CU，则电流的变化情况为