第7講實驗:觀察電容器的充，放電現(xiàn)象

一、實驗?zāi)康?/p>

1.理解電容器的儲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,會計算電容器

充、放電的電荷量。

二、實驗過程

1.電容器的充電過程

如圖所示,當(dāng)開關(guān)S接1時，電容器接通電源，在電場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,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。電荷在移動的過程中形成電流。在充電開始時電流比較大，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，電荷停止定向

移動，電流/=0。

2.電容器的放電過程

如圖所示,當(dāng)開關(guān)S接2時，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。在電子移動過程中，形成電流。放電開始時電流較大,隨著兩極板上

的電荷量逐漸減小，電路口的電流逐漸減小,兩極板間的電壓也逐漸減小到零。

3.電容器充、放電時的能量轉(zhuǎn)化

充電后，電容器儲存了電能。放電時，儲存的電能群放出來，轉(zhuǎn)化為其他形式的能。

三、數(shù)據(jù)處理

1.整個圖像與橫軸所圍的面積的物理意義是整個充電或放電時間內(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)。

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

1.電流表要選用小量程的靈敏電流計。

2.要選擇大容量的電容器。

3.實驗要在干燥的環(huán)境中進(jìn)行。

4.在做放電實瞼時，在電路中串聯(lián)一個電阻，以免燒壞電流表。

考點一基礎(chǔ)性實驗

［例I］【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”實驗中，

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。

⑴用多用電表的電壓擋檢測電池的電壓。檢測時,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)計的實驗電路如圖甲所示。先將電阻箱的阻值調(diào)為凡，將單刀雙擲開關(guān)S與“1”

端相接，記錄電流隨時間的變化。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o(填正確答案標(biāo)號)

A.迅速變亮，然后亮度趨『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)為電再次將開關(guān)S與“1”端相接，再次記錄電流隨時間的變化

情況。兩次得到的電流/隨時間t變化如圖乙中曲線所示，其中實線是電阻箱阻值為

(選填或時的結(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

【答案】⑴正極(2)C(3展電荷量

【解析】(1)電流從多用電表的紅表篦流入,黑表筆.流出，故用多用電表的電壓擋撿測電池

的也壓時,紅表筆,應(yīng)該與業(yè)池的正極接觸。

(2)電容器充電完成后，當(dāng)開關(guān)S與“2”端相接，接入小燈泡，電容器放電，回路立即形成巳流，

小燈泡迅速變亮，開始時兩極板電荷量較多，電勢差較大，隨著不斷放電,兩極板電荷量變少,

電勢差變小，流過小燈泡的電流減小，小燈泡亮度減小，直至兩極板電荷量為零,無電流流過,

小燈泡熄滅。

(3)開始充電時兩極板不帶電，兩極板電勢差為零，由圖像可知，開始充電時實線,的電流較小,

故電路中的電阻較大，因此電阻箱阻值為&;由q=It知,/-/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電荷量。

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

驗電路。器材如下:電容器，電源反電動勢6V,內(nèi)阻不計)，電阻/?i=400.0C,電阻&=200.0C,

電流傳感器，開關(guān)力、S2,導(dǎo)線若干。實驗步驟如下：

甲

12

(1)按照圖甲的電路圖，把圖乙中的器材連接成完整的實驗電路。

(2)實監(jiān)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)隨時間變化的數(shù)據(jù)；

步驟④:在坐標(biāo)紙上以時間I為橫軸，微安表G的讀數(shù)/為縱軸，描點作出I-t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"式結(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，并不為(),始終保持在12〃A,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是

電容器(選填“短路”或“漏電

【答案】（1）圖見解析（3）①減小減小

②4.4x1（P⑷漏電

【解析】（1）按照題圖甲的電路圖，實物圖連接如圖所示。

（3）①由題圖丙可知，電容器放電過程電流的變化規(guī)律為:放電電流逐漸減小,放電電流隨時

間的變化率逐漸減小。

②充電后電容器兩極板間電勢差為U=9.5V,由電容定義式可知C=,=84XIO；;O6X5片

442〃FH4.4X1（）2/ZFO

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

電容器漏電。

考點二創(chuàng)新性實驗

［例4］【實驗情境的創(chuàng)新】（2023?山東卷,14）電容儲能已經(jīng)在電動汽車，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，器材如卜.：

甲

電容器C（額定電壓10V,電容標(biāo)識不清）；

電源￡（電動勢12源內(nèi)阻不計）;

電阻箱R（限值0?99999.9。）；

滑動變阻器小（最大阻值20C,額定電流2A）;

電壓表V（量程15V、內(nèi)阻很大）；

發(fā)光二極管Di、D2,開關(guān)SI、S2,電流傳感器，計算機(jī)，導(dǎo)線若干。

回答以下問題：

(1)按照圖甲連接電路，閉合開關(guān)，，若要升高電容器充電電壓,滑動變阻器滑片應(yīng)向

(選填為"或"")端滑動。

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

過程的I-t圖像,如圖丙所示。借鑒“用油膜法估測油酸分子的大小”實驗中估算油膜面積

的方法，根據(jù)圖像用估算口充電結(jié)束后，電容器存儲的電荷量為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“Di”或“Dz”)閃光。

【答案】⑴b(2)6.5[3)3.9x10-3

(4)4.9x10，(5)Di

【解析】(1)滑動變阻器采用分壓式接法，故滑片向方端滑動電容器充電電壓升高。

(2)由題圖乙可知，電壓表盤程為15V,每個小格為0.5V,故示數(shù)為6.5V。

(3)/-/圖像與坐標(biāo)軸所圍的面積表示電容器存儲的電荷量,由題圖丙可知，總共39個小格，

故電容器存儲的電荷量為3.9x10-3Co

(4)由電容的定義式C吉得C-4.9x1O'F。

(5)由題圖甲可知，電容器充電后，左極板帶正電,將開關(guān)S2擲向2,電容器放電,Di導(dǎo)通，則發(fā)

光二極管Di閃光。

［例5］［實驗方法的創(chuàng)新】（2024?河南鄭州一模）收音機(jī)中可變電容器作為調(diào)諧電臺使用,

如圖甲為空氣介質(zhì)單聯(lián)匕變電容器的結(jié)構(gòu)，它是利用正對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

實驗電路中,實驗開始時旦容器不帶電。

動片/動片引出端動片

定7f乙笈C定片

「（360pF）（260pF）

空氣介質(zhì)單聯(lián)可變電容器的結(jié)構(gòu)及電路符號

甲

左|------右

2

*EC±1

乙

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

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

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

（填選項中的字母序號）。

（2）充電穩(wěn)定后，斷開單刀雙擲開關(guān)，用電壓表接在電容器兩端測量電壓,發(fā)現(xiàn)讀數(shù)緩慢減小,

原因是o

⑶該同學(xué)做完實驗，得到電容器的電容后，突然想起他用的是一節(jié)舊電池（電動勢不變，內(nèi)

阻不可忽略），他想要得到盡量精確的電容值,（優(yōu)填“需要”或“不需要”）重新?lián)Q一

節(jié)新電池來測量。

【答案】（I）從左到右A（2）電壓表并非理想電表，電容器通過電壓表放電（3）不需要

【解析】（1）電容器充電時，電流方向從左到右，剛開始電流比較大，充電結(jié)束后，電流為0;

電容當(dāng)電容器正對面積迅速變大時,電容迅速增大，又由O=CU,可得電容器的帶

^rTTnu

電量。增加，故電容器再次充電，充電結(jié)束后電流為0。故選Ao

（2）用電壓表接在電容器兩端測量電壓，發(fā)現(xiàn)讀數(shù)緩慢減小，說明電容器在緩慢放電,即電路

中有電流,這是因為電壓表不是理想電壓表。

（3）本實臉測量電,容的原理是C=^,電容器的帶包量。=心可由步驟（1）所得的/r圖線與坐

標(biāo)軸圍成的面積求得;充電后兩極板之間電壓由步驟⑵中的電壓表測得。給電容器充電時

由于使用了舊電池,導(dǎo)致充電時電流較小，充電的時間會稍長一點，當(dāng)充電電流等于0時，電

容器兩端電壓仍然等于電源電動勢，所以電容器最終所帶電量不變，不影響測量結(jié)果，所以

不需要更換電池。

A課時作業(yè)

（滿分:60分）

1.（16分）（2025?山西太原期中）在“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象''實驗中：

某同學(xué)的實驗電路圖如圖甲，電源輸出電壓恒為8V,S是單刀雙擲開關(guān),C為電容器。該同

學(xué)先讓S與“1”端相連，穩(wěn)定后，將S與“2”端相連，直至電流傳感器示數(shù)為0,如圖乙記錄了

該過程中通過電容器的電流隨時間的變化情況。

電

流

傳

感

器

工

丁

（1）當(dāng)開關(guān)S接到力”時，電容器處于過程;當(dāng)開關(guān)S接至『2"時，電容器處于

過程（以上兩空均選填“充電”或“放電”）;放電過程中，通過電阻Ho的電流方向與充電過程

（選填“相同”或“相反”）。

（2）圖像陰影表示i-t圖像與對應(yīng)時間軸所圍成的面積，面積表示的物理意義是o

⑶圖乙中陰影部分的面積Si（選填，或“=”后o

【答案】（1）充電放電相反

（2）電荷量（3）=

【解析】⑴當(dāng)開關(guān)S接到“1”時，電容器與電源相連，電容器處于充電狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)S接到“2”

時，電容器處于放電狀態(tài)。充電時，通過電阻Ro的也流方向向左,電容器上極板帶正電，所以

放電1時，通過電阻Ro的電流方向向右，兩個過程通過也阻Ro的電流方向相反。

（2）根據(jù)公式片”，可知I圖像與對應(yīng)時間軸所圍成的面積表示的物理意義是電荷量，

（3）充電前，電容器的電荷量為零，放電完成后，電容器的電荷量為零,可知電容器充電量等

于放電量,故題圖乙中陰影部分的面積S=S2。

2.（14分）（2024?海南卷,15）用如圖甲所示的電路觀察電容器的充放電現(xiàn)象，實驗器材有電源

E、電容器C、電壓表、中,流表、電流傳感器、計算機(jī)、定值中阻R、單刀雙擲開關(guān)5、

開關(guān)S2、導(dǎo)線若干。

甲乙

（1）閉合開關(guān)9,將，接1.電壓表示數(shù)增大，最后穩(wěn)定在12.3V。在此過程中,電流表的示數(shù)

（填選項標(biāo)號）。

A.一直穩(wěn)定在某一數(shù)值

B.先增大，后逐漸減小為零

C.先增大，后穩(wěn)定在某一非零數(shù)值

（2）先后斷開開關(guān)S2、Si,將電流表更換成電流傳感器，再將Si接2,此時通過定值電阻R的

電流方向為（選填%一/或"-a"）,通過傳感器將電流信息傳入計算機(jī)，畫出電流

隨時間變化的人圖像，如圖乙尸2s時/=1.10mA,圖中〃、N區(qū)域面枳比為8：7,可求出

R=kC（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）。

【答案】（l）B（2%—65.2

【解析】（1）由題圖甲可知，當(dāng)閉合開關(guān)S2,將Si接1時，電源為電容器充電，電流表示數(shù)先

從0增大到某一數(shù)值，隨著電容器的不斷充電，電路中的充電電流逐漸減小,當(dāng)電容器充滿

電后，電路相當(dāng)于斷路，電流為零,B正確。

(2)由題圖甲可知，當(dāng)閉合開關(guān)S2,將Si接1時，電容器的上極板與電源正極相連，包容器充

電結(jié)束后上極板帶正電，當(dāng)將Si接2時，電容器放電，此時通過定值電阻R的電流方向為

a—b;電容器開始放電前兩端電壓為12.3V,由題圖乙可知，當(dāng)t=2s時，電路中的電流/=

1.10mA,可知此時電容器兩端的電壓為5=/上可得0?2s內(nèi)的放電量為Q=AU?C=

(12.3T.10x1()3XR)XC,2s后到放電結(jié)束的放電量為02=AU'C=1.10x1()3xRxC,已知題圖乙

中M、N區(qū)域面積之比為8:7,則華Y，解得R=5.2kO。

Qi7

3.(16分)(2024?廣西河池階段練習(xí))某同學(xué)設(shè)計了如圖甲所示的電路，用來完成“觀察電容

器的充、放電現(xiàn)象”實驗。

乙

⑴將開關(guān)S接通1,電容器的(選填"上”或"下”)極板帶正電，再將S接通2,通過電

流表的電流方向向(選填“左”或“右”)。

(2)實驗中所使用的電容器如圖乙所示，其標(biāo)稱值為“16V3300"F”,當(dāng)電容器兩端的電

壓為6V時，電容器正極板帶電荷量為。1結(jié)果保留2位有效數(shù)字)

(3)下列關(guān)于電容器充電時，所帶電荷量Q與時間t的關(guān)系、所帶電荷量。與兩極板間的

電壓U的關(guān)系正確的是o(多選)

CD

(4)如圖丙所示為利用傳感器研究電容器放電過程的實險電路，實驗時先將開關(guān)S與1端相

連，電源向電容器充電，待電路穩(wěn)定后產(chǎn)0時刻把開關(guān)S擲向2端,電容器通過電阻放電，傳

感器將電流信息傳入計算機(jī)，屏幕上顯示出電流隨時間變化的/-/曲線如圖丁所示，這個

曲線的橫坐標(biāo)是放電時間，縱坐標(biāo)是放電電流，則電容器釋放的最大電荷量約為o

(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)

按計算機(jī)

【答案】⑴下右(2)2.0xl0-2C(3)AD(4)3.2x10-3C

【解析】(1)將開關(guān)S接通1,電容器下極板與電源正極連接，故下極板帶正也。將S接通

2,電流由下極板通過電阻、電流表流向上極板，故通過也流表的電流方向向右。

(2)由電容的定義式，可得也容器正極板帶電荷量為Q=CU=3300xl06x6C=1.98x10-2

C-2.0xl0-2Co

(3)充電過程中，電荷量隨時間逐漸增大，且充電電流逐漸減小,。r圖像斜率變小,A正確,B

錯誤;由可知，電容不變，電荷量與電壓成正比,C緡誤,D正確。

(4)/-/圖像中圖線與坐標(biāo)軸圍成的面積表示電荷量，大于半格記為一格，小于半格舍去，約為

40格，故電容器在放電過程中釋放的也荷量約為0=40＞：0.2x10-3x04C=3.2xlO^Co

4.(14分)(2024?江蘇泰州一模)電容儲能已經(jīng)在電動汽車、風(fēng)力發(fā)電等方面得到廣泛應(yīng)用。

某同學(xué)設(shè)計了圖甲所示電路，探究不同電壓下電容器的充、放電過程和測定電容器的電容。

器材如下：

電容器。(額定電壓10V,電容標(biāo)識不清)；

電源上(電動勢12V,內(nèi)阻不計)；

滑動變阻器4（最大阻值20Q）;

電阻箱&（阻值0-9999.9C）;

電壓表V（量程15V,內(nèi)阻較大）；

開關(guān)，、S2,電流傳感器，計算機(jī)，導(dǎo)線若干。

甲

乙

（1）按照圖甲連接電路，閉合開關(guān)Si、斷開開關(guān)S2,調(diào)節(jié)滑動變阻器Ri的滑片向b端滑動。

（2）當(dāng)電壓表的示數(shù)為S=3V時，調(diào)節(jié)&的阻值，閉合開關(guān)S%通過計算機(jī)得到電容器充電

過程電流隨時間變化的圖像;保持&的阻值不變，斷開開關(guān)Si,得到電容器放電過程電流隨

時間變化的圖像，圖像如圖乙所示。測得/i=6mA,則&=Qo

（3）重復(fù)上述實驗，得到不同電壓下電容器的充、放電過程的電流和時間的圖像，利用面積

法可以得到電容器電荷量的大小，測出不同電壓下電容器所帶的電荷量如下表：

實驗次數(shù)123456

UN345678

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