高考總復習優(yōu)化設計GAOKAOZONGFUXIYOUHUASHEJI實驗10觀察電容器的充放電現(xiàn)象第八章2026內容索引010203強基礎增分策略增素能精準突破練思維遷移運用強基礎增分策略一、實驗目的1.理解電容器的儲能特性及其在電路中能量的轉換規(guī)律。2.電容器充、放電過程中,電路中的電流和電容器兩端電壓的變化規(guī)律。二、實驗器材6V的直流電源、單刀雙擲開關、平行板電容器、電流表、電壓表、小燈泡、導線若干。三、實驗思路1.電容器充電:電源使電容器的兩極板帶上等量異種電荷的過程,如圖甲所示。2.電容器放電:用導線將充好電的電容器的兩極板相連,使兩極板的異種電荷中和的過程,如圖乙所示。3.電容器充放電時的能量轉化:充電后,電容器儲存了電能。放電時,儲存的電能釋放出來,轉化為其他形式的能。四、實驗過程1.電容器的充電開關S合向1,電容器充電。(1)現(xiàn)象①小燈泡開始較亮,逐漸變暗,直至熄滅。②A1的讀數由大變小。③V的讀數變大。④最后A1的大小等于0,V的大小等于電源電壓。(2)解釋電源正極向極板供給正電荷,負極向極板供給負電荷。電荷在電路中定向移動形成電流,兩極板間有電壓。S剛合上時,電源與電容器之間存在較大的電壓,使大量電荷從電源移向電容器極板,產生較大電流,隨著極板電荷的增加,極板間電壓增大,電流減小。當電容器兩極板間電壓等于電源電壓時,電荷不再定向移動,電流為0,燈不亮。2.電容器的放電開關S合向2,電容器放電。(1)現(xiàn)象①小燈泡開始較亮,逐漸變暗,直至熄滅。②A2的讀數開始較大,逐漸變小,電流方向與充電方向相反,直至為0。③開始V的讀數為電源電壓,逐漸減小,直至為0。(2)解釋放電過程中,由于電容器兩極板間的電壓使回路中有電流產生。開始這個電壓較大,因此電流較大,隨著電容器極板上的正、負電荷的中和,極板間的電壓逐漸減小,電流也減小,最后放電結束,極板間不存在電壓,電流為0。五、分析與論證當電容器極板上所儲存的電荷發(fā)生變化時,電路中就有電流流過;若電容器極板上所儲存的電荷量恒定不變時,則電路中就沒有電流流過。電路中的平均電流為I=。旁欄邊角

人教版教材必修第三冊P39閱讀“拓展學習”——用傳感器觀察電容器的放電過程,完成下面題目。圖甲是觀察電容器的充、放電現(xiàn)象的實驗裝置。電源輸出電壓恒為8

V,S是單刀雙擲開關,G為靈敏電流計,C為平行板電容器。(1)當開關S接

(選填“1”或“2”)時,平行板電容器放電,流經G表的電流方向與充電時

(選填“相同”或“相反”)。

(2)將G表換成電流傳感器,電容器充電完畢后再放電,其放電電流隨時間變化的圖像如圖乙所示,已知圖像與坐標軸所圍的面積約為40個方格,可算出電容器的電容為

F。

答案

(1)2

相反

(2)4×10-4解析

(1)當開關S接2時,平行板電容器放電,流經G表的電流方向與充電時相反。(2)由圖像與坐標軸所圍的面積約為40個方格,可算出電容器的電荷量為Q=40×0.2×10-3×0.4

C=3.2×10-3

C增素能精準突破考點一教材原型實驗典例1.(2023北京市海淀區(qū)高三期末)某同學用電流傳感器和電壓傳感器研究電容器的放電情況,按如圖所示連接電路,實驗時,先將開關S與1端相連,待電路穩(wěn)定后,將開關擲向2端,傳感器將信息傳入計算機,屏幕上可以顯示出電流、電壓隨時間變化的i-t圖像、u-t圖像。(1)由圖可知,傳感器2應為

(選填“電流”或“電壓”)傳感器。

(2)計算機屏幕上顯示的i-t圖像可能為下圖中的

,u-t圖像可能為下圖中的

。

(3)結合屏幕顯示的i-t圖像、u-t圖像信息,可以估算出

。

A.電容器的電容B.電容器儲存的電荷量答案

(1)電壓

(2)B

D

(3)AB解析

(1)傳感器2與電阻R并聯(lián),應為電壓傳感器?？键c二實驗的改進與創(chuàng)新典例2.(2024廣西卷)某同學為探究電容器充、放電過程,設計了圖甲實驗電路。器材如下:電容器,電源E(電動勢6V,內阻不計),電阻R1=400.0Ω,電阻R2=200.0Ω,電流傳感器,開關S1、S2,導線若干。實驗步驟如下:(1)斷開S1、S2,將電流傳感器一端與a節(jié)點相連,其數據采樣頻率為5000Hz,則采樣周期為

s。

(2)閉合S1,電容器開始充電,直至充電結束,得到充電過程的I-t曲線如圖乙,由圖乙可知開關S1閉合瞬間流經電阻R1的電流為

mA(結果保留3位有效數字)。

(3)保持S1閉合,再閉合S2,電容器開始放電,直至放電結束,則放電結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曲線與坐標軸所圍面積對應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、直線t=1s所圍面積對應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(結果保留兩位有效數字)。

答案

(1)2×10-4(2)15.0(3)2(4)4.7×103

5.2

練思維遷移運用1.(2023廣東廣州模擬)電流傳感器可以在電腦端記錄電流隨時間變化的圖線,探究實驗小組設計了如圖所示的實驗電路,探究電容器的充放電現(xiàn)象。在探究中先將開關接1,待電路穩(wěn)定后再接2。探究電容器充電及通過電阻放電的電流規(guī)律。(1)已知電流從右向左流過電流傳感器時,電流為正,則與本次實驗相符的I-t圖像是

。

(2)從I-t圖線與t軸所圍的面積可以計算出電容器電荷量的大小。關于本次實驗探究,下列判斷正確的是

。

A.若只增大電阻箱R的阻值,電容器放電的時間將變短B.若只增大電阻箱R的阻值,電容器放電的I-t圖線與t軸所圍的面積將增大C.在誤差允許的范圍內,放電和充電圖線與t軸所圍的面積應大致相等答案

(1)A

(2)C解析

(1)先給電容器充電,后電容器通過R放電,給電容器充電過程中電流從右向左流過傳感器,即為正,由于充電后電容器上極板帶正電,電容器通過R放電時,電流從左向右流過傳感器,即為負。故選A。(2)放電和充電圖線與t軸所圍的面積應大致相等,若只增大電阻箱R的阻值,電容器的電荷量不變,I-t圖線與t軸所圍的面積不變,但對電流的阻礙作用變大,電容器放電的時間將變長,故選C。2.電容器是一種重要的電學元件,在電工、電子技術中應用廣泛。某實驗小組用圖甲所示的電路研究電容器充、放電情況及電容大小,他們用電流傳感器和計算機測出電路中電流隨時間變化的曲線。實驗時,根據圖甲所示的電路原理圖連接好電路,t=0時刻把開關K擲向1端,電容器充電完畢后,再把開關K擲向2端,電容器通過電阻R放電,傳感器將電流信息傳入計算機,屏幕上顯示出電流隨時間變化的I-t圖像如圖乙所示。甲乙丙(1)電容器放電時,流過電阻R的電流方向為

(選填“由a到b”或“由b到a”)。

(2)圖乙中,陰影部分的面積S1

(選填“>”“<”或“=”)S2。

(3)圖丙為電壓恒為8V的電源給電容器充電時作出的電流隨時間變化的I-t圖像,電容器充電完畢后的電荷量為

C,電容器的電容為

F。(計算結果均保留兩位有效數字)

答案

(1)由a到b

(2)=

(3)8.0×10-3

1.0×10-3解析

(1)電容器充電時上極板接電源正極,故上極板帶正電荷,放電時,上極板正電荷通過電阻流向下極板,故流過電阻R的電流方向為由a到b。q=It,乙圖中,陰影部分的面積等于充、放電的電荷量,而充放電的電荷量相等,故S1=S2。(3)根據I-t圖像的面積表示電容器充電完畢后的電荷量,由圖知,每小格代表的電荷量為數出圖線包圍的格數,滿半格或超過半格的算一格,不滿半格的舍去,數得格數為32格,則電容器充電完畢后的電荷量為Q=32×2.5×10-4

C=8.0×10-3

C根據電容的定義知,電容器的電容為2.某學習小組利用高電阻放電法研究電容器的充、放電,實驗是利用高阻值電阻延長充、放電時間,繪制電容器充、放電電流與時間的i-t圖像來研究電容器的充、放電規(guī)律。某同學先按圖甲連接好實驗電路。然后繼續(xù)實驗操作如下:(1)先接通開關S1、S2,調節(jié)電阻箱R的阻值,當微安表的示數不變時記下電壓表的示數U0=6.0V;(2)斷開開關S2,同時開始計時,每隔5s或10s讀一次電流i的值,將測得數據填入預先設計的表格中,根據表格中的數據在坐標紙上標出以時間t為橫坐標、電流i為縱坐標的點,如圖乙中用“×”表示的點。請在圖乙中描繪出電流隨時間變化的圖線;(3)根據圖線估算出該電容器在整個放電過程中放出的電荷量Q0約為

C;(結果保留兩位有效數字)

(4)根據公式

來計算電容器的電容。(用題中所給字母寫出表達式)答案

(2)見解析

(3)7.5×10-3(7.0×10-3~8.0×10-3均可)

(4)解析

(2)描繪出電流隨時間變化的圖線如圖所示。(3)i-t圖像與坐標軸圍成的面積等于電荷量,則該電容器在整個放電過程中放出的電荷量Q0=30×5×50×10-6

C=7.5×10-3

C。(4)根據公式

來計算電容器的電容。3.(2024廣東二模)下圖為“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實驗。實驗器材:電源E(電動勢9.50V,內阻可忽略)、電容器C(標稱電容值為470μF,擊穿電壓為10V)、電阻箱R、微安表G、單刀雙擲開關S和導線若干。完成下列實驗的相關內容:(1)按照圖甲所示的電路圖,把圖乙中的器材連接成完整的實驗電路。(2)實驗步驟:步驟①將開關S打到1,給電容器C充電,觀察微安表G的示數變化直到讀數穩(wěn)定;步驟②先打開手機視頻錄制軟件,再將開關S打到2位置,觀察并用視頻記錄電容器C的放電過程中微安表G的示數變化情況;步驟③斷開開關S,查閱視頻,記錄前160s內,微安表G的讀數隨時間變化的數據;步驟④在坐標紙上以時間t為橫軸,微安表G的讀數I為縱軸,描點作出I-t圖像,如圖丙所