第7講實(shí)驗(yàn):觀察電容器的充、放電現(xiàn)象

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.理解電容器的儲(chǔ)能特性及其在電路中能量的轉(zhuǎn)換規(guī)律。

2.了解電容器充、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,會(huì)計(jì)算電容器

充、放電的電荷量。

二、實(shí)驗(yàn)過程

1.電容器的充電過程

如圖所示,當(dāng)開關(guān)S接1時(shí),電容器接通電源,在電場(chǎng)力的作用下自由電子從正極板經(jīng)過電

源向負(fù)極板移動(dòng),正極板因失去電子而帶正電,負(fù)極板因獲得電子而帶負(fù)電。正、負(fù)極板帶

等量的正、負(fù)電荷。電荷在移動(dòng)的過程中形成電流。在充電開始時(shí)電流比較大,以后隨著

極板上電荷的增多,電流逐漸減小,當(dāng)電容器兩極板間電壓等于電源電壓時(shí),電荷停止定向

移動(dòng),電流I=0。

2.電容器的放電過程

如圖所示,當(dāng)開關(guān)S接2時(shí),相當(dāng)于將電容器的兩極板直接用導(dǎo)線連接起來,電容器正、負(fù)

極板上電荷發(fā)生中和。在電子移動(dòng)過程中,形成電流。放電開始時(shí)電流較大,隨著兩極板上

的電荷量逐漸減小,電路中的電流逐漸減小,兩極板間的電壓也逐漸減小到零。

3.電容器充、放電時(shí)的能量轉(zhuǎn)化

充電后,電容器儲(chǔ)存了電能。放電時(shí),儲(chǔ)存的電能釋放出來,轉(zhuǎn)化為其他形式的能。

三、數(shù)據(jù)處理

1.整個(gè)圖像與橫軸所圍的面積的物理意義是整個(gè)充電或放電時(shí)間內(nèi)通過電流表的電荷量,

也等于充滿電后或放電開始時(shí)電容器極板上的電荷量。

2.估算電容器充電或放電過程中電荷量的方法是:先算出一個(gè)小方格代表的電荷量,然后

數(shù)出整個(gè)圖像與橫軸所圍的面積中的方格數(shù)(大于半個(gè)的按一個(gè)方格計(jì)算,小于半個(gè)的舍

棄)。電容器充電或放電過程中電荷量為一個(gè)小方格代表的電荷量乘以方格數(shù)。

四、誤差分析

1.電壓表讀數(shù)及電流表不夠靈敏造成偶然誤差。

2.充放電時(shí)間較短、記錄現(xiàn)象不夠準(zhǔn)確出現(xiàn)偶然誤差。

3.電容器電容較小和電源不穩(wěn)定造成系統(tǒng)誤差。

五、注意事項(xiàng)

1.電流表要選用小量程的靈敏電流計(jì)。

2.要選擇大容量的電容器。

3.實(shí)驗(yàn)要在干燥的環(huán)境中進(jìn)行。

4.在做放電實(shí)驗(yàn)時(shí),在電路中串聯(lián)一個(gè)電阻,以免燒壞電流表。

考點(diǎn)一基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

[例1]【定性分析】(2023·全國新課標(biāo)卷,22)在“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)中,所

用器材如下:電池、電容器、電阻箱、定值電阻、小燈泡、多用電表、電流表、秒表、單

刀雙擲開關(guān)以及導(dǎo)線若干。

(1)用多用電表的電壓擋檢測(cè)電池的電壓。檢測(cè)時(shí),紅表筆應(yīng)該與電池的(選填“正

極”或“負(fù)極”)接觸。

(2)某同學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路如圖甲所示。先將電阻箱的阻值調(diào)為R1,將單刀雙擲開關(guān)S與“1”

端相接,記錄電流隨時(shí)間的變化。電容器充電完成后,開關(guān)S再與“2”端相接,相接后小燈泡

亮度變化情況可能是。(填正確答案標(biāo)號(hào))

A.迅速變亮,然后亮度趨于穩(wěn)定

B.亮度逐漸增大,然后趨于穩(wěn)定

C.迅速變亮,然后亮度逐漸減小至熄滅

(3)將電阻箱的阻值調(diào)為R2(R2>R1),再次將開關(guān)S與“1”端相接,再次記錄電流隨時(shí)間的變化

情況。兩次得到的電流I隨時(shí)間t變化如圖乙中曲線所示,其中實(shí)線是電阻箱阻值為

(選填“R1”或“R2”)時(shí)的結(jié)果,曲線與坐標(biāo)軸所圍面積等于該次充電完成后電容器上的

(選填“電壓”或“電荷量”)。

聽課筆記

[例2]【定量計(jì)算】(2024·廣西卷,12)某同學(xué)為探究電容器充、放電過程,設(shè)計(jì)了圖甲實(shí)

驗(yàn)電路。器材如下:電容器,電源E(電動(dòng)勢(shì)6V,內(nèi)阻不計(jì)),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(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1)斷開S1、S2,將電流傳感器正極與a節(jié)點(diǎn)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It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(shí)驗(yàn)得到放電過程的It曲線如圖丙,It曲線與坐標(biāo)軸所圍面積對(duì)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It曲線與橫坐標(biāo)、直線t=1

s所圍面積對(duì)應(yīng)電容器釋放的電荷量為0.0038C,則t=1s時(shí)電容器兩極板間電壓為

V(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)。

聽課筆記

[例3]【誤差分析】(2024·廣東二模)如圖甲為“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)器材:電源E(電動(dòng)勢(shì)9.50V,內(nèi)阻可忽略)、電容器C(標(biāo)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(guān)S和導(dǎo)線若干。完成下列實(shí)驗(yàn)的相關(guān)

內(nèi)容:

(1)按照?qǐng)D甲的電路圖,把圖乙中的器材連接成完整的實(shí)驗(yàn)電路。

(2)實(shí)驗(yàn)步驟:

步驟①:將開關(guān)S打到1,給電容器C充電,觀察微安表G的示數(shù)變化直到讀數(shù)穩(wěn)定;

步驟②:先打開手機(jī)視頻錄制軟件,再將開關(guān)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(shù)變化情況;

步驟③:斷開開關(guān)S,查閱視頻,記錄0～160s內(nèi),微安表G的讀數(shù)隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù);

步驟④:在坐標(biāo)紙上以時(shí)間t為橫軸,微安表G的讀數(shù)I為縱軸,描點(diǎn)作出It圖像,如圖丙。

(3)分析圖丙可知:

①電容器放電過程電流的變化規(guī)律為:放電電流逐漸(選填“增大”“減小”或“不

變”),放電電流隨時(shí)間的變化率逐漸(選填“增大”“減小”或“不變”)。

②圖丙中,圖像與橫軸所包圍的面積為84格,可求得該電容器的電容值為μF。(結(jié)

果保留2位有效數(shù)字)

(4)步驟①中,微安表G的讀數(shù)穩(wěn)定時(shí),并不為0,始終保持在12μA,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是

電容器(選填“短路”或“漏電”)。

聽課筆記

考點(diǎn)二創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)

[例4]【實(shí)驗(yàn)情境的創(chuàng)新】(2023·山東卷,14)電容儲(chǔ)能已經(jīng)在電動(dòng)汽車,風(fēng)、光發(fā)電、脈

沖電源等方面得到廣泛應(yīng)用。某同學(xué)設(shè)計(jì)圖甲所示電路,探究不同電壓下電容器的充、放

電過程,器材如下:

電容器C(額定電壓10V,電容標(biāo)識(shí)不清);

電源E(電動(dòng)勢(shì)12V,內(nèi)阻不計(jì));

電阻箱R1(阻值0～99999.9Ω);

滑動(dòng)變阻器R2(最大阻值20Ω,額定電流2A);

電壓表V(量程15V,內(nèi)阻很大);

發(fā)光二極管D1、D2,開關(guān)S1、S2,電流傳感器,計(jì)算機(jī),導(dǎo)線若干。

回答以下問題:

(1)按照?qǐng)D甲連接電路,閉合開關(guān)S1,若要升高電容器充電電壓,滑動(dòng)變阻器滑片應(yīng)向

(選填“a”或“b”)端滑動(dòng)。

(2)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片位置,電壓表表盤如圖乙所示,示數(shù)為V(結(jié)果保留1

位小數(shù))。

(3)繼續(xù)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片位置,電壓表示數(shù)為8.0V時(shí),開關(guān)S2擲向1,得到電容器充電

過程的It圖像,如圖丙所示。借鑒“用油膜法估測(cè)油酸分子的大小”實(shí)驗(yàn)中估算油膜面積

的方法,根據(jù)圖像可估算出充電結(jié)束后,電容器存儲(chǔ)的電荷量為C(結(jié)果保留2位

有效數(shù)字)。

(4)本電路中所使用電容器的電容約為F(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)。

(5)電容器充電后,將開關(guān)S2擲向2,發(fā)光二極管(選填“D1”或“D2”)閃光。

聽課筆記

[例5]【實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新】(2024·廣東汕頭一模)收音機(jī)中可變電容器作為調(diào)諧電臺(tái)使用,

如圖甲為空氣介質(zhì)單聯(lián)可變電容器的結(jié)構(gòu),它是利用正對(duì)面積的變化改變電容器電容大

小的原理工作的,某同學(xué)想要研究這種電容器充、放電的特性,于是將其接到如圖乙所示的

實(shí)驗(yàn)電路中,實(shí)驗(yàn)開始時(shí)電容器不帶電。

(1)首先將開關(guān)S打向1,這時(shí)觀察到靈敏電流計(jì)G有短暫的示數(shù),穩(wěn)定后,旋轉(zhuǎn)旋鈕,使電容

器正對(duì)面積迅速變大,從開始旋轉(zhuǎn)旋鈕到最終穩(wěn)定過程中,流過靈敏電流計(jì)的電流方向是

(選填“從左到右”或“從右到左”),靈敏電流計(jì)示數(shù)隨時(shí)間變化的圖像可能是(填選

項(xiàng)中的字母序號(hào))。

AB

CD