【高考物理】一轮复习10、实验十　观察电容器的充、放电现象　电容器的动态分析-学案

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对点练1 观察电容器的充、放电现象
1.在如图1所示实验中，关于平行板电容器的充、放电，下列说法正确的是( )
图1
A.开关接1时，平行板电容器充电，且上极板带正电
B.开关接1时，平行板电容器充电，且上极板带负电
C.开关接2时，平行板电容器充电，且上极板带正电
D.开关接2时，平行板电容器充电，且上极板带负电
2.(多选)电流传感器反应非常灵敏，与计算机相连接，能立即描绘出电流随时间变化的图像。如图2甲所示，在观察充电、放电现象的实验中，电源用直流8 V，电容器的电容是几十微法。先使开关S掷向1端，电源向电容器充电，这个过程瞬间完成。然后把开关S掷向2，电容器通过电阻R放电，电流传感器将电流信息传入计算机，屏幕上显示出电流随时间变化的I－t曲线如图乙所示。下列说法正确的是( )
图2
A.S接1时，电容器充电，带电荷量Q增加，板间电压U增大，板间场强E减小
B.S接2时，电容器放电，带电荷量Q减少，板间电压U减小，板间场强E减小
C.在I－t图中图线与横轴所围的面积表示电荷量
D.根据以上数据和信息不能估算出电容的大小
3.(2024·浙江杭州模拟)心室纤颤是一种可危及生命的疾病。如图3为一种叫作心脏除颤器的设备，某型号AED模拟治疗仪器的电容器电容是25 μF，充电至8 kV电压，如果电容器在2 ms时间内完成放电，则( )
图3
A.电容器放电过程中平均功率为800 kW
B.电容器的击穿电压为8 kV
C.电容器放电过程中电容越来越小
D.电容器放电过程中电流最大值一定大于100 A
对点练2 平行板电容器的动态分析
4.(2024·广东惠州高三开学考)如图4所示，平行板电容器水平放置，电容器中一带电油滴恰好静止。现将电容器下极板稍向下移动，下列选项正确的是( )
图4
A.油滴仍保持静止
B.油滴向上做匀速直线运动
C.油滴向上做匀加速直线运动
D.油滴向下做匀加速直线运动
5.(2024·广东梅州模拟)图示5为某电容传声器结构示意图，当人对着传声器讲话，膜片会振动。若某次膜片振动时，膜片与极板距离减小，则在此过程中( )
图5
A.膜片与极板间的电容减小
B.极板所带电量减小
C.膜片与极板间的电场强度增大
D.电阻R中有向上的电流
6.如图6所示，一对面积较大的平行板电容器AB水平放置，A板带正电荷，B板接地，P为两板中点，再使A、B分别以中心点O、O′为轴在竖直平面内转过一个相同的小角度θ，下列结论正确的是( )
图6
A.电容器AB的电容不变B.两板间电场强度变大
C.两板间的P点电势增大D.两板间的P点电势降低
7.(多选)通过手机内电容式加速度传感器可以实现运动步数的测量，传感器原理如图7所示，电容器的M极板固定，当手机的加速度变化时，与弹簧相连的N极板只能按图中标识的“前后”方向运动，图中R为定值电阻。下列对传感器描述正确的是( )
图7
A.静止时，电流表示数为零，电容器M极板带负电
B.由静止突然向前加速时，电容器的电容减小
C.由静止突然向前加速时，电流由b向a流过电流表
D.保持向前匀减速运动时，电阻R以恒定功率发热
B级 综合提升练
8.某同学利用图8甲所示电路观察电容器的充电和放电现象，计算机屏幕显示出放电过程的I－t图像如图乙所示。下列说法正确的是( )
图8
A.电容器放电时电子由b向a通过电阻R
B.电容器放电过程中电阻R两端电压逐渐增大
C.将电阻R换成阻值更大的电阻，放电时间变短
D.电容器充电结束所带电荷量约为5×10－3 C
9.如图9所示，平行板电容器与电动势为E的直流电源(不计内阻)连接，下极板接地，开关S初始闭合，一带电油滴位于电容器中的P点且恰好处于平衡状态，下列说法正确的是( )
图9
A.油滴带正电荷
B.将上极板向上移动一小段距离，电容器的电容减小
C.上极板向左平移一小段距离，油滴向上运动
D.断开开关S，将上极板向下平移一小段距离，P点电势升高
10.某同学用平行板电容器设计制作了单电容热膨胀检测仪，原理如图10所示。电容器上极板固定，下极板可随材料竖直方向的尺度变化而上下移动，平行板电容器的电容C＝eq \f(εrS,4πkd)，S是电容器极板的正对面积，d是极板间的距离，其余均为常量。闭合开关S，若材料热胀冷缩，下列说法中正确的是( )
图10
A.材料温度升高，极板所带电荷量增大
B.滑动变阻器滑片向下滑动少许可以提高检测仪的工作电压
C.检测到灵敏电流计的电流方向为从a到b，说明材料温度降低
D.检测结束，断开开关，灵敏电流计上有从a到b的短暂电流
11.(2023·新课标卷，22)在“观察电容器的充、放电现象”实验中，所用器材如下：电池、电容器、电阻箱、定值电阻、小灯泡、多用电表、电流表、秒表、单刀双掷开关以及导线若干。
(1)用多用电表的电压挡检测电池的电压。检测时，红表笔应该与电池的________(填“正极”或“负极”)接触。
(2)某同学设计的实验电路如图11(a)所示。先将电阻箱的阻值调为R1，将单刀双掷开关S与“1”端相接，记录电流随时间的变化。电容器充电完成后，开关S再与“2”端相接，相接后小灯泡亮度变化情况可能是____________(填正确答案标号)。
A.迅速变亮，然后亮度趋于稳定
B.亮度逐渐增大，然后趋于稳定
C.迅速变亮，然后亮度逐渐减小至熄灭
(3)将电阻箱的阻值调为R2(R2＞R1)，再次将开关S与“1”端相接，再次记录电流随时间的变化情况，两次得到的电流I随时间t变化如图(b)中曲线所示，其中实线是电阻箱阻值为________(填“R1”或“R2”)时的结果，曲线与坐标轴所围面积等于该次充电完成后电容器上的________(填“电压”或“电荷量”)。
图11
参考答案
实验十 观察电容器的充、放电现象 电容器的动态分析
1.A [开关接1时，平行板电容器充电，上极板与电源正极相连而带正电，A正确，B错误；开关接2时，平行板电容器放电，放电结束后上、下极板均不带电，C、D错误。]
2.BC [S接1时，电容器充电，板间场强E增大，故A错误；S接2时，电容器放电，带电荷量Q减少，板间电压U减小，板间场强E减小，故B正确；在I－t图中，由q＝It可知，图线与横轴所围的面积表示放电的电荷量，故C正确；由于充电后电容器的电压是8 V，放电的电荷量等于图线与横轴所围的面积，根据C＝eq \f(Q,U)可能估算出电容的大小，故D错误。]
3.D [电容器所带的电荷量为Q＝CU＝25×10－6×8×103 C＝0.2 C，由电流的定义式I＝eq \f(Q,t)，可得电容器放电过程中平均电流为eq \(I,\s\up6(－))＝eq \f(Q,t)＝eq \f(0.2,2×10－3) A＝100 A，电容器放电过程中若电压不变，则有平均功率为eq \(P,\s\up6(－))＝Ueq \(I,\s\up6(－))＝8×103×100 W＝800 000 W＝800 kW，因电容器放电过程中电压在逐渐减小，因此在电容器放电过程中平均功率小于800 kW，A错误；该电容器的充电电压至8 kV，此电压应不高于电容器的额定电压，而电容器的击穿电压要大于额定电压，即电容器的击穿电压大于8 kV，B错误；电容器的电容与电容器所带的电荷量无关，因此电容器放电过程中电容不变，C错误；电容器放电过程中平均电流为100 A，因此电容器放电过程中电流最大值一定大于100 A，D正确。]
4.D [带电油滴恰好静止时，有mg＝qE，将电容器下极板稍向下移动，由E＝eq \f(U,d)，可知当d变大时，两板间场强减小，带电油滴受到的电场力小于重力，可知油滴向下做匀加速直线运动。故D正确。]
5.C [膜片与极板距离d减小，根据电容决定式C＝eq \f(εrS,4πkd)，可知膜片与极板间的电容增大，膜片与极板间的电压不变，由C＝eq \f(Q,U)可知极板所带电量增大，A、B错误；根据电场强度公式E＝eq \f(U,d)，可知膜片与极板间的电场强度增大，C正确；极板所带电量增大，电源给极板充电，充电电流向下通过电阻R，D错误。]
6.D [根据题意，两极板在竖直平面内转过一个相同的小角度θ，两极板间的距离d减小，根据电容的决定式和定义式C＝eq \f(εrS,4πkd)，C＝eq \f(Q,U)由此可知，d减小，C增大，故A错误；根据公式E＝eq \f(U,d)＝eq \f(\f(Q,C),d)＝eq \f(4πkQ,εrS)可知，两板间电场强度不变，故B错误；由图可知，P与B板间的距离减小，由于电容器内部电场强度不变，所以P与B板间的电势差减小，B板接地，其电势为零，所以P点电势降低，故C错误，D正确。]
7.BC [静止时，N板不动，电容器的电容不变，则电容器电荷量不变，则电流表示数为零，电容器M极板因为与电源正极相连，所以其带正电，故A错误；由静止突然向前加速时，N板向后运动，则板间距变大，根据C＝eq \f(εrS,4πkd)可知，电容器的电容减小，电容器带电荷量减小，则电容器放电，则电流由b向a流过电流表，故B、C正确；保持向前匀减速运动时，加速度恒定不变，则N板的位置在某位置不动，电容器电荷量不变，电路中无电流，则电阻R发热功率为零，故D错误。]
8.D [开关S接1时电源给电容器充电后上极板带正电，开关S接2时，电容器放电，电流由极板正极流过电阻R到负极板，而电子的移动方向与电流方向相反，则电子由a向b通过电阻R，故A错误；电容器放电过程中电流逐渐减小，根据欧姆定律可知电阻R两端电压逐渐减小，故B错误；由q＝It可知，I－t图像中曲线与横轴围成的面积即电容器充电结束时所带电荷量，若R增大，总电荷量q不变，则对电流阻碍作用增大，即电流减小，故放电时间会变长，故C错误；
I－t图像中格数割补后约为1.3格，则电荷量约为q≈2×10－3×2×1.3 C≈5.2×
10－3 C，故D正确。]
9.B [由图可得，电容器内电场向下，油滴受力平衡带负电，A错误；电容器的电容决定式C＝eq \f(εrS,4πkd)，上极板向上移动，d增加，C减小，B正确；上极板向左平移，由电容器电势差不变，板间距不变可得，电容器内电场强度不变，油滴受力仍平衡，C错误；断开开关S，电容器所带电荷量不变，由C＝eq \f(εrS,4πkd)＝eq \f(Q,Ed)得E＝eq \f(4πkQ,εrS)，与间距d无关，P点到下极板距离d′不变UP＝Ed′，故P点电势不变，D错误。]
10.A [材料温度升高，材料膨胀，电容器两板间距减小，根据C＝eq \f(εrS,4πkd)，电容增大。由于电容器两板间电势差不变，根据C＝eq \f(Q,U)，极板所带电荷量增大，A正确；滑动变阻器滑片向下滑动，阻值减小，根据E＝U＋eq \f(E,R＋r)r，可知检测仪的工作电压降低，B错误；材料温度降低，同理A选项，极板所带电荷量减小，则灵敏电流计的电流方向为从b到a，C错误；断开开关，电容器放电，则灵敏电流计上有从b到a的短暂电流，D错误。]
11.(1)正极 (2)C (3)R2 电荷量
解析 (1)在使用多用电表时，应保证电流从红表笔流入，黑表笔流出，即“红进黑出”，因此红表笔应该与电池的正极接触。
(2)S与“1”端相接时，小灯泡不发光，电容器充电；S与“2”端相接时，电容器放电，且放电电流逐渐变小，直至为0，故C正确，A、B错误。
(3)开始充电时实线中的电流较虚线的小，说明电路中的电阻较大，对应电阻箱阻值为R2；根据电流的定义式I＝eq \f(q,t)可知q＝It，则I－t图像中曲线与坐标轴围成的面积为电荷量。