备考2024届高考物理一轮复习讲义第九章静电场实验十观察电容器的充放电现象命题点1教材基础实验

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1.实验目的
（1）理解电容器的储能特性及其在电路中能量的转换规律.
（2）电容器充、放电过程中，电路中的电流和电容器两端电压的变化规律.
2.实验原理
3.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）.
4.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.
5.数据处理
在I－t图中画出如图所示的竖立的狭长矩形（Δt很小），它的面积的物理意义是在Δt时间内通过电流表的电荷量.
6.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）在做放电实验时，电路中要串联一个电阻，避免烧坏电流表.
（4）实验要在干燥的环境中进行.
研透高考 明确方向
命题点1 教材基础实验
1.在“用传感器观察电容器的充、放电过程”实验中，按图（a）所示连接电路.电源电动势为8.0V，内阻可以忽略.单刀双掷开关S先跟2相接，某时刻开关改接1，一段时间后，把开关再改接2.实验中使用电流传感器来采集电流随时间的变化信息，并将结果输入计算机.
（1）为观察电容器C充电时的现象，应将单刀双掷开关S接 1 （填“1”或“2”）.
（2）在充电过程中，测绘的充电电流i随时间t变化的图像可能正确的是 A .
（3）用图（a）所示电路来观察电容器C的放电现象：使用电流传感器测量放电过程中电路的电流，并将结果输入计算机，得到了图（b）所示的电流i与时间t的关系图像.
①通过i－t图像可以发现：电容器放电时，电路中的电流减小得越来越 慢 （填“快”或“慢”）.
②已知图（b）中图线与坐标轴所围成图形的面积表示电容器放电过程中所释放的电荷量，根据图像可估计电容器放电前所带电荷量Q约为 3.2×10－3 C，电容器的电容C约为 4.0×10－4 F.（结果均保留2位有效数字）
（4）关于电容器在整个充、放电过程中的q－t图像和UAB－t图像的大致形状，可能正确的有 AD （q为电容器极板所带的电荷量，UAB为A、B两板的电势差）.
（5）图（c）中实线是实验得到的放电时的i－t图像，如果不改变电路的其他参数，只减小电阻R的阻值，则得到的i－t图线可能是图（c）中的 ② （填“①”“②”或“③”）.
（6）改变电源电动势，重复多次上述实验，得到电容器在不同电压U下充满电时所带的电荷量Q，并作出Q－U图像，则图像应是 B .
解析 （1）充电时必须将电容器接电源，故将单刀双掷开关拨向1.
（2）电容器充电时，随着电荷量的增加，电容器两极板间电压升高，电阻R两端分得的电压减小，电路中电流逐渐减小，电容器两极板间电压增大到等于电源电压之后，电流减小为零，A正确.
（3）①从图（b）中可以看出放电时电流减小得越来越慢（斜率的绝对值表示电流的变化快慢）；②可数出图线与坐标轴所围成图形有40小格（格数为38～42都正确），所以电容器放电前所带电荷量约为Q＝40×15×25×10－3C＝3.2×10－3C，根据电容的定义可得C＝QU＝4.0×10－4F.
（4）电容器在充电过程中，电流由最大逐渐减小，放电过程电流也是由最大逐渐减小，最后变为0，根据Δq＝IΔt可知，q－t图像的斜率表示电流的大小，A正确，B错误；电容器两极板间的电压变化量ΔUAB＝ΔqC＝ICΔt，UAB－t图像的斜率表示IC，在充电和放电过程中电容器的电容不变，根据充电和放电过程中电流的特点可知，C错误，D正确.
（5）若只减小电阻R的阻值，则开始时刻的电流将增大，i－t图像的纵截距增大，由于总的电荷量一定，则图像与坐标轴围成的面积相同，故曲线②符合要求.
（6）对一个特定的电容器，由Q＝CU可知其带电荷量与电压成正比，B正确.
电容器的充电过程
如图，在充电开始时电流比较[1] 大 （填“大”或“小”），以后随着极板上电荷的增多，电流逐渐[2] 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.
电容器的放电过程
如图，放电开始电流较[3] 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[4] 减小 （填“增大”或“减小”），两极板间的电压也逐渐减小到零.