第41講觀察電容器的充放電現(xiàn)象（講義）（原卷版）

第41講觀察電容器的充、放電現(xiàn)象目錄復習目標網(wǎng)絡構(gòu)建考點一教材原型實驗【夯基·必備基礎知識梳理】知識點實驗目的、器材、原理、步驟、注意事項、誤差分析【提升·必考題型歸納】考向1實驗原理與操作考向2數(shù)據(jù)處理與誤差分析考點二創(chuàng)新實驗方案【夯基·必備基礎知識梳理】知識點實驗方案的改進【提升·必考題型歸納】考向1實驗原理的改進考向2實驗器材的創(chuàng)新考向3實驗思路的創(chuàng)新真題感悟理解和掌握觀察電容器的充放電現(xiàn)象實驗原理，并會做出必要的誤差分析。2、能夠在原型實驗基礎上，通過對實驗的改進或者創(chuàng)新，做出同類探究?？键c要求考題統(tǒng)計考情分析觀察電容器的充放電現(xiàn)象2023年山西卷第9題各地高考對觀察電容器的充放電現(xiàn)象這個實驗的考查近幾年頻度不高，主要考查原型實驗的原理。考點一教材原型實驗知識點實驗目的、器材、原理、步驟、注意事項、誤差分析1.實驗原理（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。（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。（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,儲存的電能釋放出來,轉(zhuǎn)化為其他形式的能。2.實驗操作（1）電容器的充電：開關S合向1,電容器充電?，F(xiàn)象:①白熾燈開始較亮,逐步變暗。②的讀數(shù)由大變小。③的讀數(shù)變大。④最后的大小等于0,的大小等于電源電壓。⑤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(chǎn)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,電容放電?，F(xiàn)象:①開始燈較亮,逐漸變暗,直至熄滅。②開始較大,逐漸變小,電流方向與充電方向相反,直至指示為0。③開始指示為電源電壓,逐漸減小,直至為0。④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(chǎn)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(jié)束,極板間不存在電壓,電流為0。⑤結(jié)論:當電容器極板上所儲存的電荷量發(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。3.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=Δq考向1實驗原理與操作1．小理同學利用如圖甲所示電路觀察電容器的充、放電現(xiàn)象，圖乙是毫安表表頭。

（1）小理先將單刀雙拋開關打到1位置，發(fā)現(xiàn)毫安表指針向右偏轉(zhuǎn)，電容器開始充電，充電電流逐漸變____，此時電容器的上極板帶____；再將開關打到2位置，發(fā)現(xiàn)毫安表指針向____偏轉(zhuǎn)，電容器開始放電，放電電流逐漸變小。以上三空格，判斷正確的是A．大、正、右B．小、正、左C．大、負、右D．小、負、左（2）小理同學將放電過程所獲得的數(shù)據(jù)繪制成圖丙中的a圖線（圖中實線）。再通過調(diào)節(jié)電阻箱，增大電阻R，重復電容器的沖、放電過程，再收集放電電流的數(shù)據(jù)，將得到圖丙中的曲線（選填“b”或“c”）。小理同學通過觀察圖像中的（選填“截距”、“斜率”或“面積”），認為在誤差允許的范圍內(nèi)，控制充電電壓不變，改變電路中的電阻，不會影響電容器放電的電荷量。（3）在“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實驗中，以下觀點錯誤的是A．在ef之間增加一個微型直流小風扇，可以展示電容器是儲能元件B．更換電容C值更小的電容器，在電源電壓不變的情況下，電容器放電時釋放的電荷量仍不變C．將電源電壓增大，且不超過電容器的耐壓，可以增大電容器放電時釋放的電荷量D．將變阻箱轉(zhuǎn)移動mn之間，可以減少電容器的充電時間考向2數(shù)據(jù)處理與誤差分析2．某同學利用圖（a）所示電路測量一電容器的電容，將開關S從2端撥至1端，電源對電容器充電；再將開關S撥至2端，電容器放電?；卮鹣铝袉栴}：

（1）下表記錄了放電過程中某個時刻t的物理量及其變化，在表中①②③空格處填上合理的答案；放電過程中某個時刻t通過電阻R的電流方向（選填“”或“”）①通過電阻R的電流正在增大還是減小②電容器兩端的電壓正在增大還是減?、郏?）充電過程中，電流傳感器和電壓傳感器將信息即時輸入計算機，屏幕上顯示出如圖（b）所示的電流I、電壓U隨時間t變化的It圖線、Ut圖線。根據(jù)圖（b）估算當電容器剛開始放電時所帶的電荷量Q=C，計算電容器的電容C=F；已知待測電容器電容標稱值為，則測量值C與的差異為%。（結(jié)果均保留2位有效數(shù)字）

考點二創(chuàng)新實驗方案知識點1實驗器材的改進：使用傳感器測量數(shù)據(jù)知識點2實驗思路的改進：組成LC振蕩電路，一個實驗分飾兩角?？枷?實驗原理的改進1．為了測量該電容器電容的大小，甲同學利用電流表和電壓表來觀察電容器充、放電現(xiàn)象，如圖（a）所示，所選用電流表的零刻度在表盤的正中央，指針可向左、右偏轉(zhuǎn)，已知電流從該電流表的“+”接線柱流入時，指針向右偏轉(zhuǎn)，反之向左偏轉(zhuǎn)。所選用的電壓表的零刻度在表盤的最左側(cè)。（1）為觀察電容器C充電時的現(xiàn)象，應將單刀雙擲開關S接（選填“1”或“2”）。（2）在利用圖（a）電路進行實驗時，下列操作或現(xiàn)象正確的是。A．連接電路時，電流傳感器的下端為“+”接線柱B．電容器C在放電時，流經(jīng)電阻R的電流忽左忽右C．電容器C充電結(jié)束后，電壓表示數(shù)等于電源電動勢（3）乙同學用圖（a）所示電路來觀察電容器C放電現(xiàn)象：他利用電流傳感器采集放電過程電路中的電流，并輸入計算機，得到了圖（b）所示的電流與時間的關系圖像。已知該同學所選用的直流電源電動勢。

已知圖（b）中圖線與坐標軸所圍成圖形的面積表示電容器放電過程中所釋放的電量，每一小格面積表示的電荷量為，據(jù)此可求出電容器放電前所帶電荷量C；根據(jù)該圖，可知他所選用的電容器最可能是下列的（選填序號“A”，“B”或“C”）。

（4）電容器充電后就儲存了能量，某同學研究電容器儲存的能量與電容器的電容、電荷量及電容器兩極間電壓之間的關系。他從等效的思想出發(fā)，認為電容器儲存的能量等于把電荷從一個極板搬運到另一個極板過程中克服電場力所做的功。為此他做出電容器兩極間的電壓隨電荷量變化的圖像如圖所示。按他的想法，下列說法正確的是。

A．圖線的斜率越大，電容越大B．搬運的電量，克服電場力所做的功近似等于上方小矩形的面積C．對同一電容器，電容器儲存的能量與兩極間電壓成正比D．若電容器電荷量為時儲存的能量為，則電容器電荷量為時儲存的能量為考向2實驗器材的創(chuàng)新2．在“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實驗中，某研究小組同學按照圖甲所示連接電路，并將傳感器與計算機相連。實驗時，先將開關S擲向1，一段時間后，將開關擲向2，傳感器將信息傳入計算機屏幕上，顯示出電流或電壓隨時間變化的圖線。

（1）由電路圖可知，傳感器1應為，傳感器2應為。A．電流傳感器B．電壓傳感器C．溫度傳感器D．壓力傳感器（2）用U表示電容器兩端的電壓，I表示電路中的電流，當開關擲向1后的一段時間里，下列圖像正確的有。A．

B．

C．

D．

（3）開關擲向2后，通過R的電流方向為（填“向上””或“向下”）。（4）若電源電動勢為2V，開關擲向2后，通過R的電流大小的變化圖像如圖乙所示，則該電容器的電容為F。（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）考向3實驗思路的創(chuàng)新3．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甲所示的實驗電路，探究電容器在不同電路中的充放電現(xiàn)象。

（1）第一次探究中先將開關接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。A．

B．

C．

D．

②從I?t圖像的面積可以計算得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，I?t圖像的面積將增大C．在誤差允許的范圍內(nèi)，放電和充電圖像的面積應大致相等（2）第二次探究中，該同學先將開關接1給電容器充電，待電路穩(wěn)定后再接3，探究LC振蕩電路的電流變化規(guī)律。③探究實驗小組得到的振蕩電路電流波形圖像，選取了開關接3之后的LC振蕩電流的部分圖像，如圖乙所示，根據(jù)圖像中記錄的坐標信息可知，振蕩電路的周期T=s（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）。

④如果使用電動勢更大的電源給電容器充電，則LC振蕩電路的頻率將（填“增大”、“減小”或“不變”）。⑤已知電源電動勢E，測得充電過程I?t圖像的面積為S，以及振蕩電路的周期T，可以得到電感線圈的電感表達式L=。（以上物理量的單位均為國際單位制單位）（2023年山西卷高考真題）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、單刀雙擲開關以及導線若干。

（1）用多用電表的電壓擋檢測電池的電壓。檢測時，紅表筆應該與電池的（填“正極”或“負極”）接觸。（2）某同學設計的實驗電路如圖（a）所示。先將電阻箱的阻值調(diào)為，將單刀雙擲開關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S再與“2”端相接，相接后小燈泡亮度變化情況可能是