2024届高三物理二轮复习实验部分微专题复习-探究影响平行板电容器电容大小的影响因素实验专题（含解析）

这是一份2024届高三物理二轮复习实验部分微专题复习-探究影响平行板电容器电容大小的影响因素实验专题（含解析），共13页。试卷主要包含了实验题等内容，欢迎下载使用。
一、实验题
如图所示，在《实验：探究影响平行板电容器电容的因素》中，给平行板电容器充上一定量的电荷后，将电容器的两极板A、B分别跟静电计的指针和外壳相连(接地)。现请回答下列问题：
(1)如果该电容器的电容为C，所带电量为Q，则两极板间的电势差为_____；
(2)将A极板向右移动少许，则静电计指针的偏转角将_____；(选填“增大”、“减小”或“不变”，下同)
(3)将B极板向上移动少许，则静电计指针的偏转角将_____；
(4)将一块玻璃板插入A、B两极板之间，则静电计指针的偏转角将_____；
(5)如果在操作过程中，手无意中触摸了B极板，则观察到的实验现象_____发生变化。(选填“会”或“不会”)
下面三个图为探究平行板电容器电容大小因素的实验，请将正确的结论填在横线上，两平行板之间的电场可以视为匀强电场，给电容器充电后与电源断开，那么

(1)若保持板间距离d不变，正对面积S变小，则板间电势差U________。(填“变小”“变大”或“不变”)
(2)若保持S不变，d变大，板间电场强度E________。(填“变小”、“变大”或“不变”)
(3)若保持S和d都不变，插入介质板后，则板间电势差U________，电容C________。(填“变小”、“变大”或“不变”)
某兴趣小组想自制一个电容器。如图所示，他们用两片锡箔纸做电极，在两层锡箔纸中间夹以电容纸(某种绝缘介质)，一起卷成圆柱形，然后接出引线，再密封在塑料瓶当中，电容器便制成了。

(1)为增加该电容器的电容，应当____________。(填正确答案标号)
A.增大电容器的充电电压 B.减小电容器的充电电压
C.锡箔纸面积尽可能大 D.锡箔纸卷绕的尽可能紧
(2)为了测量该电容器电容的大小，由于实验室没有电容计，该小组采用了下图所示的电路进行测量。其中电压传感器和电流传感器可以在计算机上显示出电压和电流随时间变化的U−t、I−t图像。

先将开关S置于a端，电压和电流随时间变化图像分别如图1、2所示，则该电容器充满电后所带的电荷量约为Q=__________C；电容大小约为C=__________F。(结果均保留两位有效数字)

(3)在(2)问基础上，电容器充满电后，t0时刻再把开关S置于b端，则以下电流和电压随时间变化的图像符合实际的是__________。(填正确答案标号)
如图所示的实验装置，可以通过改变两极板的正对面积S，改变两极板间的距离d，在两极板间插入电介质等方法研究影响平行板电容器电容大小的因素．
(1)若把M板向左平移一小段距离后，可观察到静电计指针偏转角 (选填“变大”、“变小”或“不变”)，极板间的电场强度 (选填“变大”、“变小”或“不变”)．
(2)下面说法正确的有 ．
A.实验研究的方法是控制变量法
B.通过实验可以得出平行板电容器的电容与极板的正对面积S成正比，与两极板间的距离d成反比的结论
C.实验中极板上的电荷量几乎不变，根据电容器电容的定义式可判定电容的变化
D.潮湿的环境不会影响实验的结果
如图所示的实验装置可用来探究影响平行板电容器电容的因素，其中电容器左侧极板和静电计外壳接地，电容器右侧极板与静电计金属球相连。
(1)下列关于实验中使用静电计的说法正确的是( )
A.使用静电计的目的是观察电容器电压的变化情况
B.使用静电计的目的是测量电容器电荷量的变化情况
C.静电计可以用电压表替代
D.静电计可以用电流表替代
(2)使电容器充电后与电源断开：
①上移左极板，可观察到静电计指针偏转角________ (选填“变大”“变小”或“不变”)；
②将极板间距离减小时，可观察到静电计指针偏转角________(选填“变大”“变小”或“不变”)；
③两板间插入一块玻璃，可观察到静电计指针偏转角________(选填“变大”“变小”或“不变”)。
如图甲所示的实验装置可用来探究影响平行板电容器电容的因素，其中电容器左侧极板和静电计外壳均接地，电容器右侧极板与静电计金属球相连，使电容器带电后与电源断开。
(1)影响平行板电容器电容的因素有_____，在实验室中完成这个实验的方法是_____。
A.两极板的正对面积 B.两板间距离 C.电介质的介电常数 D.极板的材料
G.假设法 E.比值法 H.微小量放大法 F.控制变量法
(2)某位同学用如图乙所示研究电容器电容与哪些因素有关。A、B为平行板电容器的金属板，G为静电计，开始时开关S闭合，静电计指针张开一定角度；若保持开关S闭合，将A、B两极板间距变大些，指针张开角度将____________；若断开开关S后，将A、B两极板靠近些，指针张开角度将____________(以上均选填“变大”、“变小”或“不变”)。
图为验证影响平行板电容器电容的因素的实验原理图。影响平行板电容器电容的因素有：两极板之间的距离d，两极板的正对面积S，及插入两板间的电介质的相对介电常数ɛr。
步骤1：电容器充电后与电源断开，保持电量Q将不变，两极板间的距离d也不变，增大两极板间的正对面积S，发现静电计的指针张角______(填“变大”，“变小”或“不变”)；
步骤2：电容器充电后与电源断开，保持电量Q将不变，两极板的正对面积S也不变，减少两极板间的距离，发现静电计的指针张角变______(填“变大”，“变小”或“不变”)；
步骤3：保持Q、S、d都不变，在两极板间插入有机玻璃，发现静电计的张角______(“变大”，“变小”或“不变”)；
在此物理试验中，保持其他变量不变，只改变其中的一个变量，此实验思想方法为______法。
某校三人学习奥小组合作探究电容器的影响因素，电容器充电完成后与电源断开，按如图1连接在一起：
(1)甲同学将B极板向上移动，观察到静电计的指针偏角______；(选填“变大”“变小”“不变”)。
(2)乙同学将B极板______(选填“左动”“右动”“旋转”)，观察到静电计的指针偏角变小。
(3)丙同学在A、B极板之间插入云母片，观察到静电计的指针偏角______；(选填“变大”“变小”“不变”)。
(4)三位同学应用他们实验得到的结论分析某核电站所使用的冷却系统自动化检测技术的原理。如图是一种通过检测电容器电容的变化来检测液面高低的仪器原理图。如果指示器显示出电容增大了，则必为液面______(“升高”、“降低”或“不变”)。
答案和解析
1.【答案】(1)QC；(2)减小；(3)增大；(4)减小；(5)不会。
【解析】
【分析】
本题主要是考查研究影响平行板电容器电容的因素实验，解答本题关键应根据电容的决定式C=εS4πkd分析电容的变化，抓住电容器的电量不变，由电容的定义式C=QU分析电压的变化，即可判断静电计指针偏转角的变化。
(1)根据电容的定义式可求两极板之间的电势差；
(2)将A极板向右移动少许，电容器两板间的距离d减小，先由电容的决定式判断电容的变化，再由电容的定义式判断电势差的变化，即可判断静电计指针的偏角变化；
(3)将B极板向上移动少许，两板正对面积S减小，根据电容的决定式判断电容的变化，再由电容的定义式判断电势差的变化，即可判断静电计指针的偏角变化；
(4)将一块玻璃板插入A、B两极板之间，ε增大，先由电容的决定式判断电容的变化，再由电容的定义式判断电势差的变化，即可判断静电计指针的偏角变化；
(5)B板本身就是与大地相连，其电势为零，如果在操作过程中手无意中触摸到B板，则不会影响观察到的实验现象。
【解答】
(1)如果该电容器的电容为C，所带电量为Q，根据电容的定义式C=QU可得两极板间的电势差为U=QC;
(2)将A极板向右移动少许，电容器两板间的距离d减小，根据电容的决定式C=εS4πkd可知，电容C增大，而电容器的电量Q不变，则电容的定义式C=QU可知，电容器板间电势差U减小，静电计指针的偏转角将减小；
(3)将B极板向上移动少许，两板正对面积S减小，根据电容的决定式C=εS4πkd可知，电容C减小，而电容器的电量Q不变，则电容的定义式C=QU可知，电容器板间电势差U增大，静电计指针的偏转角将增大；
(4)将一块玻璃板插入A、B两极板之间，ε增大，根据电容的决定式C=ϵS4πkd可知，电容C增大，而电容器的电量Q不变，则电容的定义式C=QU可知，电容器板间电势差U减小，静电计指针的偏转角将减小；
(5) B板本身就是与大地相连，其电势为零，如果在操作过程中手无意中触摸到B板，则不会影响观察到的实验现象。故答案为：(1)QC；(2)减小；(3)增大；(4)减小；(5)不会。
2.【答案】(1)变大；
(2)不变；
(3)变小；变大
【解析】
【分析】
本题考查电容器的动态分析问题，要注意明确电容器的定义式、决定式以及U=Ed等公式的正确应用，注意明确当断开电源S不变，只改变板间距离时，两板间的电场强度不变。
先根据电容的决定式分析电容的变化，再根据电容的定义式分析板间电势差的变化，根据U=Ed可知电场强度的变化。
【解答】
(1)保持板间距离d不变，两极板正对面积减小，根据电容的决定式C=εS4πkd得知，电容C变小，而电容器的电量Q不变，由电容的定义式C=QU分析得到，板间电势差U变大；
(2)保持S不变，板间距离d变大，根据电容的决定式C=εS4πkd、E=Ud和Q=UC可知：E=4πkQεS，故E和d无关，故E不变；
(3)保持S和d都不变，插入介质板后，根据电容的决定式C=εS4πkd得知，电容C变大，而电容器的电量Q不变，由电容的定义式C=QU分析得到，板间电势差U变小。
故答案为：(1)变大；(2)不变；(3)变小；变大。
3.【答案】(1)CD；
(2)3.0×10−5；5.0×10−6 ；
(3)BC。
【解析】
【分析】
(1)根据C=εS4πkd分析增加电容器电容的方法；
(2)I−t图象下的面积表示电荷量，根据面积求出电容器充满电后所带的电荷量；根据C=QU求出电容大小；
(3)分析电容器充电、放电过程，判断I−t图象和U−t图象。
解决本题的关键是掌握电容的决定式C=εS4πkd，知道I−t图象下的面积表示电荷量，结合电容器充、放电过程分析答题。
【解答】
(1)根据C=εS4πkd知，为增加该电容器的电容，可以增大S或减小d，所以使锡箔纸面积尽可能大或使锡箔纸卷绕的尽可能紧，都可以增大电容，故AB错误，CD正确。
故选CD。
(2)根据q=I·t可知，I−t图象与横轴围成的面积表示电荷量，I−t图象每小格表示的电量为0.02×0.2×10−4C=4×10−7C，共约75小格，
则电容器充满电后所带的电荷量约为：Q=75×4×10−7C=3.0×10−5C
由U−t图象知，充满电后电容器电压U=6.0V，则电容大小约为：C=QU=3.0×10−56.0F=5.0×10−6F；
(3)0∼t0时间内，电容器充电，电流逐渐减小，电压逐渐增大，直至充满时，电流为零，电压达最大值；t0时刻把开关S置于b端，电容器放电，电流反向且逐渐减小到零，电压逐渐减小到零。故BC正确，AD错误。
故选BC。
故答案为：(1)CD；(2)3.0×10−5；5.0×10−6；(在2.7×10−5∼3.7×10−5和4.5×10−6∼5.5×10−5范围内均可给分)；(3)BC。
4.【答案】(1)变大；不变；
(2)AC
【解析】
【分析】
根据电容的决定式分析电容如何变化，由电容的定义式C=QU分析板间电压的变化，再判断静电计指针偏角的变化。
本题是电容器动态变化分析问题，关键要掌握电容的决定式和电容的定义式。
【解答】
(1)若把M板向左平移一小段距离后，电荷量Q不变，两极板的正对面积S也不变，增大两板间距离d，由电容的决定式可知，电容变小；电荷量Q一定，由电容的定义式C=QU分析可知，板间电压变大，则静电计指针偏角增大。由知，极板间的电场强度不变。
(2)A.实验中，通过分别改变电容器的结构，可以探究出影响平行板电容器电容的因素，这种实验方法是控制变量法；故A正确；
B.当平行板电容器的两极板间充满同一种介质时，通过定量的分析计算结论才成立；故B错误；
C.实验中极板上的电荷量几乎不变，根据电容器电容的定义式可判定电容的变化；故C正确；
D.潮湿的环境会影响实验的结果；故D错误；
故选AC。
故答案为：(1)变大；不变；(2)AC。
5.【答案】(1)A
(2)①变大②变小③变小
【解析】
【分析】
本题考查静电计的应用和电容器的动态分析，解决本题的关键知道静电计测量的是电容器两端的电势差；处理电容器动态分析时，关键抓住不变量，与电源断开，电荷量保持不变，结合电容的决定式和定义式进行分析，基础题。
(1)
静电计可测量电势差，根据指针张角的大小，观察电容器电压的变化情况。静电计与电压表、电流表的原理不同，不能替代。
(2)抓住电容器的电荷量不变，根据电容的决定式C=ɛs4πkd判断电容的变化，结合U=QC判断电势差的变化，从而得出指针偏角的变化。
【解答】
(1)
AB.静电计可测量电势差，根据指针张角的大小，观察电容器电压的变化情况，无法判断电量的变化情况，故A正确，B错误。
CD.静电计与电压表、电流表的原理不同，不能替代。电流表、电压表线圈中必须有电流通过时，指针才偏转，故CD错误。
故选A。
(2)①根据电容的决定式C=ɛs4πkd知，上移左极板，正对面积S减小，则电容减小，根据U=QC知，电荷量不变，则电势差增大，指针偏角变大。
②根据电容的决定式C=ɛs4πkd知，将极板间距离减小时，电容增大，根据U=QC知，电荷量不变，则电势差减小，指针偏角变小。
③根据电容的决定式C=ɛs4πkd知，两板间插入一块玻璃，电容增大，根据U=QC知，电荷量不变，则电势差减小，指针偏角变小。
故答案为：(1)A
(2)①变大②变小③变小
6.【答案】(1)ABC；F
(2)不变； 变小
【解析】
【分析】
(1)由C=ɛS4πkd分析影响平行板电容器的因素，本实验用的方法为控制变量法；
(2)本实验电量不变，则用静电计是为了观察电压的变化，采用了控制变量法；
(3)静电计测量的是电容器两端的电势差，断开电键，电容器所带的电量不变，根据电容的变化判断电势差的变化；闭合电键，电容器两端的电势差等于电源的电动势。
本题考查电容器的电容C的决定因素，要掌握电容的决定式，明确静电计测量的是电压的变化；本题还考查电容器的动态分析，关键抓住断开电键，电容器所带的电量不变，电键闭合，电容器两端的电势差不变。
【解答】
(1)根据C=ɛS4πkd，可知影响平行板电容器电容的因素有：两极板的正对面积、两板间距离、电介质的介电常数，故选：ABC；
在实验室中完成这个实验的方法是控制变量法，故选：F。
(3)若保持开关S闭合，则两板间电压U一定，则指针张开角度将不变；
若断开开关S后，Q一定，将A、B两极板靠近些，根据C=ɛS4πkd可知C变大，根据Q=CU可知，U减小，则指针张开角度将减小。
7.【答案】变小，变小，变小，控制变量法。
【解析】
【分析】
静电计测定电容器极板间的电势差，电势差越大，指针的偏角越大。根据电容的决定式C=ɛS4πkd分析极板间距离、正对面积变化时电容的变化情况，由于极板所带电荷量不变，再由电容的定义式C=QU分析板间电势差的变化，即可再确定静电计指针的偏角变化情况。
处理电容器动态分析时关键抓住不变量。若电容器与电源断开，电量保持不变；若电容器始终与电源相连，电容器两端间的电势差保持不变。C=ɛS4πkd，结合进行分析。
【解答】
步骤1：正对面积增大时，根据电容的决定式C=ɛS4πkd，可知电容增大，电容器极板所带的电荷量Q不变，再由电容的定义式C=QU分析可知板间电势差变小，静电计指针的偏角θ变小；
步骤2：板间距离减小时，根据电容的决定式C=ɛS4πkd，可知电容增大，电容器极板所带的电荷量Q不变，再由电容的定义式C=QU分析可知板间电势差减小，静电计指针的偏角θ变小；
步骤3：插入电介质时，根据电容的决定式C=ɛS4πkd，可知电容增大，电容器极板所带的电荷量Q不变，再由电容的定义式C=QU分析可知板间电势差减小，静电计指针的偏角θ变小；
在此物理试验中，保持其他变量不变，只改变其中的一个变量，以达到实验目的实验思想方法为控制变量法。
故答案为：变小，变小，变小，控制变量法。
8.【答案】(1)变大 (2)右 ((3)变小 (4)升高
【解析】解：(1)若极板B稍向上移动一点，极板正对面积减小，由电容的决定式C=ϵS4πkd分析知电容减小，电容器的电量不变，根据电容的定义式C=QU，极板间的电压U增大，则静电计指针偏角变大；
(2)静电计的指针偏角变小，说明U减小，根据C=QU可知C变大，根据C=ϵS4πkd可知，d减小，即极板B向右移动；
(3)在A、B极板之间插入云母片，根据C=ϵS4πkd可知，C变大，根据电容的定义式C=Q/U，极板间的电压U减小，则静电计指针偏角变小；
(4)改变两电极正对面积时，根据电容器的决定式C=ϵS4πkd可知，电容增大，说明液面升高。
故答案为：(1)变大 (2)右 ((3)变小 (4)升高
静电计是测量电势差的仪器，根据张角可以得出两板间的电势差高低；电容器充电后与电源断开，电容器的带电量不变。根据电容的决定因素和电容的定义式C=QU结合分析。
对于电容器动态变化分析问题，要抓住不变量。当电容器保持与电源相连时，电压不变。当电容器充电后，与电源断开后，往往电量不变。根据电容的决定式和定义式结合进行分析。