第3講實驗十觀察電容器的充、放電現(xiàn)象電容器的動態(tài)分析學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解電容器的充、放電過程，會定量計算電容器充、放電的電荷量。2.掌握電容的定義式和平行板電容器的決定式，會分析電容器動態(tài)變化問題。1.2.觀察電容器的充、放電現(xiàn)象實驗原理實驗操作注意事項甲電容器充電乙電容器放電如圖甲，電容器與電源相連，形成充電電流，隨著極板電荷量的增加，充電電流減小。如圖乙，電容器的正、負(fù)電荷中和，形成放電電流，隨著極板電荷量的減少，放電電流減小1.連電路，按原理圖連接器材。2.單刀雙擲開關(guān)S接1，觀察充電現(xiàn)象。3.單刀雙擲開關(guān)S接2，觀察放電現(xiàn)象。4.關(guān)閉電源，整理器材1.電流表要選用小量程的靈敏電流表。2.要選擇大容量的電容器。3.實驗要在干燥的環(huán)境中進行。4.在做放電實驗時，在電路中串聯(lián)一個電阻，避免燒壞電流表數(shù)據(jù)處理1.觀察電流表示數(shù)變化，總結(jié)電容器充、放電電流的變化規(guī)律。2.可將電流表換成電流傳感器，由計算機繪制充、放電的i－t圖像，由圖像計算充、放電過程通過電流傳感器的電荷量。方法:先算出一個小方格代表的電荷量，然后數(shù)出整個圖像與橫軸所圍的面積中的方格數(shù)(大于半個的按一個方格計算，小于半個的舍棄)。電容器充電或放電過程中電荷量為一個小方格代表的電荷量乘以方格數(shù)。3.電容器兩極板之間的電壓等于電源電動勢，由電容的定義式C＝QU估算出電容器的電容C1.電容器所帶的電荷量是指每個極板所帶電荷量的代數(shù)和。(×)2.電容器的電容與電容器所帶電荷量成反比。(×)3.放電后的電容器電荷量為零，電容也為零。(×)考點一實驗:觀察電容器的充、放電現(xiàn)象角度電容器充、放電現(xiàn)象的定性分析例1(2024·甘肅卷，7)一平行板電容器充放電電路如圖所示。開關(guān)S接1，電源E給電容器C充電;開關(guān)S接2，電容器C對電阻R放電。下列說法正確的是()A.充電過程中，電容器兩極板間電勢差增加，充電電流增加B.充電過程中，電容器的上極板帶正電荷，流過電阻R的電流由M點流向N點C.放電過程中，電容器兩極板間電勢差減小，放電電流減小D.放電過程中，電容器的上極板帶負(fù)電荷，流過電阻R的電流由N點流向M點答案C解析電容器不論是充電過程還是放電過程，電流都是逐漸減小的，充電過程電容器兩極板的電荷量增加，由C＝QU可知電容器兩極板間電勢差增大，放電過程電容器兩極板的電荷量減少，電勢差減小，A錯誤，C正確;根據(jù)電路結(jié)構(gòu)可知，不論是充電過程還是放電過程，電容器的上極板都是帶正電荷的，充電過程，流過電阻R的電流由N點流向M點，放電過程，流過電阻R的電流由M點流向N點，B、D角度電容器充、放電現(xiàn)象的定量計算例2(2024·廣西卷，12)某同學(xué)為探究電容器充、放電過程，設(shè)計了圖甲所示的實驗電路。器材如下:電容器，電源E(電動勢6V，內(nèi)阻不計)，電阻R1＝400.0Ω，電阻R2＝200.0Ω，電流傳感器，開關(guān)S1、S2，導(dǎo)線若干。實驗步驟如下:(1)斷開S1、S2，將電流傳感器正極與a節(jié)點相連，其數(shù)據(jù)采樣頻率為5000Hz，則采樣周期為s。

(2)閉合S1，電容器開始充電，直至充電結(jié)束，得到充電過程的I－t曲線如圖乙，由圖乙可知開關(guān)S1閉合瞬間流經(jīng)電阻R1的電流為mA(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。

(3)保持S1閉合，再閉合S2，電容器開始放電，直至放電結(jié)束，則放電結(jié)束后電容器兩極板間電壓為V。

(4)實驗得到放電過程的I－t曲線如圖丙，I－t曲線與坐標(biāo)軸所圍面積對應(yīng)電容器釋放的電荷量為0.0188C，則電容器的電容C為μF。圖丙中I－t曲線與橫坐標(biāo)、直線t＝1s所圍面積對應(yīng)電容器釋放的電荷量為0.0038C，則t＝1s時電容器兩極板間電壓為V(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)。

答案(1)2×10－4(2)15.0(3)2(4)4.7×1032.8解析(1)采樣周期為T＝1f＝15000s＝2×10(2)由題圖乙可知開關(guān)S1閉合瞬間流經(jīng)電阻R1的電流為15.0mA。(3)放電結(jié)束后電容器兩極板間電壓等于R2兩端電壓，根據(jù)閉合電路歐姆定律得電容器兩極板間電壓為UC＝ER1＋R2R(4)充電結(jié)束后電容器兩端電壓為UC'＝E＝6V，故可得ΔQ＝C(UC'－UC)＝0.0188C解得C＝4.7×103μF設(shè)t＝1s時電容器兩極板間電壓為UC″，則C(UC″－UC)＝0.0038C代入數(shù)值解得UC″＝2.8V。(1)在電容器充、放電實驗中，電流表串聯(lián)在電路中測量電路中的電流，電壓表與電容器并聯(lián)，測量電容器兩端的電壓。(2)電容器充電過程中，電路中的電流逐漸減小，電容器兩端電壓逐漸增大，當(dāng)充電完畢時電容器兩端電壓最大，電路中電流為0。(3)電容器放電過程中，電容器相當(dāng)于電源，其與定值電阻構(gòu)成閉合回路，電壓表和電流表分別測量定值電阻兩端的電壓和流過定值電阻的電流。跟蹤訓(xùn)練1.(2024·重慶卷，12)探究電容器充、放電規(guī)律的實驗裝置如圖甲所示，有電源E、定值電阻R0、電容器C、單刀雙擲開關(guān)S。(1)為測量電容器充、放電過程電壓U和電流I變化規(guī)律，需在圖甲電路圖①、②處接入測量儀器，位置②應(yīng)該接入測(選填“電流”或“電壓”)儀器。

(2)接通電路，當(dāng)電壓表示數(shù)最大時，電流表示數(shù)為。

(3)根據(jù)測量數(shù)據(jù)，某過程中電容器兩端電壓U與電流I的關(guān)系圖如圖乙所示，該過程為(選填“充電”或“放電”)。放電過程中電容器兩端電壓U隨時間t變化關(guān)系如圖丙所示。t＝0.2s時R0消耗的功率為W。

答案(1)電壓(2)0(3)放電0.32(0.30~0.34均可)解析(1)位置②與電容器并聯(lián)，應(yīng)接入測電壓的儀器。(2)當(dāng)電壓表示數(shù)最大時，電容器充電完畢，電路中電流為0，則電流表示數(shù)為0。(3)電容器放電時電壓和電流都減小，圖像逆向分析，該過程為電容器放電過程。電容器充電完畢后的電壓等于電源電動勢，大小為12V，由題圖丙可知t＝0.2s時電容器兩端電壓為U＝8V，由題圖乙可知當(dāng)U＝8V時，電流I＝40mA，則電阻R0消耗的功率為P＝UI＝8×40×10－3W＝0.32W?？键c二平行板電容器的動態(tài)分析兩類典型問題用到公式C＝1.電容器始終與恒壓電源相連，電容器兩極板間的電勢差U保持不變2.電容器充電后與電源斷開，電容器兩極板所帶的電荷量Q保持不變角度兩極板間電勢差U保持不變例3(2024·黑吉遼卷，5)某種不導(dǎo)電溶液的相對介電常數(shù)εr與濃度cm的關(guān)系曲線如圖(a)所示。將平行板電容器的兩極板全部插入該溶液中，并與恒壓電源、電流表等構(gòu)成如圖(b)所示的電路。閉合開關(guān)S后，若降低溶液濃度，則()A.電容器的電容減小B.電容器所帶的電荷量增大C.電容器兩極板之間的電勢差增大D.溶液濃度降低過程中電流方向為M→N答案B解析由題圖(a)知，溶液濃度降低，相對介電常數(shù)εr增大，根據(jù)C＝εrS4πkd可知，電容C增大，A錯誤;由于電容器與恒壓電源相連，故電容器兩極板間的電勢差等于電源電壓，保持不變，C錯誤;根據(jù)C＝QU可知，電容C增大，電容器所帶電荷量增大，電容器充電，故電流方向為N→角度兩極板所帶電荷量不變例4(2024·浙江6月選考，6)如圖所示是“研究電容器兩極板間距對電容大小的影響”實驗，保持電荷量不變，當(dāng)極板間距增大時，靜電計指針張角增大，則()A.極板間電勢差減小 B.電容器的電容增大C.極板間電場強度增大 D.電容器儲存能量增大答案D解析分析題圖可知靜電計測量電容器兩極板間的電勢差，靜電計指針張角增大，電容器兩極板間的電勢差增大，A錯誤;由于保持電荷量不變，而電勢差增大，由C＝QU可知電容器的電容減小，B錯誤;由電容的決定式C＝εrS4πkd和兩極板間電場強度E＝Ud＝QCd，聯(lián)立可得E＝4πkQεrS，可知電容器兩極板間電場強度與極板間距d無關(guān)，故僅改變極板間距，極板間電場強度不變，C錯誤;根據(jù)E總結(jié)提升平行板電容器動態(tài)分析的思路角度含二極管的動態(tài)分析例5(多選)(2025·山東青島高三期末)如圖所示，D是一只理想二極管，電流只能從a流向b，而不能從b流向a。平行板電容器的A、B兩極板間有一電荷，在P點處于靜止?fàn)顟B(tài)。以E表示兩極板間的電場強度，U表示兩極板間的電壓，Ep表示電荷在P點的電勢能。若保持極板B不動，將極板A稍向下平移，則下列說法中正確的是()A.E變小 B.U變大C.Ep不變 D.電荷仍保持靜止答案BD解析若保持極板B不動，將極板A稍向下平移，板間距離d變大，根據(jù)C