新高考物理一輪復習分層提升練習專題48 實驗觀察電容器的充放電現(xiàn)象（原卷版）

專題48實驗觀察電容器的充放電現(xiàn)象導練目標導練內(nèi)容目標1教材經(jīng)典實驗方案的原理、步驟和數(shù)據(jù)處理目標2新高考的改進創(chuàng)新實驗【知識導學與典例導練】教材經(jīng)典實驗方案的原理、步驟和數(shù)據(jù)處理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(guān)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(guān)S合向2,電容放電。現(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【例1】在“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實驗中，（1）用如圖1所示的電容器做實驗，電容器外殼上面標著“2200μF，10V”，下列說法正確的是_________；A．電容器的擊穿電壓為10VB．電壓為10V時，電容器才正常工作C．電容器電壓為5V時，電容是2200μFD．電容器電壓為5V時，電容是1100μF（2）把干電池SKIPIF1<0、電阻箱SKIPIF1<0、電容器SKIPIF1<0、電流表SKIPIF1<0、單刀雙擲開關(guān)S按圖2電路圖連成實驗電路如圖3所示，將電阻箱SKIPIF1<0調(diào)到合適阻值。①先使開關(guān)S接1，電源給電容器充電，觀察到電流表指針偏轉(zhuǎn)情況為____________；A．逐漸偏轉(zhuǎn)到某一刻度后保持不變

B．逐漸偏轉(zhuǎn)到某一刻度后迅速回到0C．迅速偏轉(zhuǎn)到某一刻度后保持不變

D．迅速偏轉(zhuǎn)到某一刻度后逐漸減小到0②電容器充電完畢，斷開開關(guān)，此時如圖2所示電路圖中電容器上極板____________（填“帶正電”、“帶負電”或“不帶電”）；③然后將開關(guān)S接2，電容器放電。在放電過程中，電路中的電流大小為SKIPIF1<0，電容器所帶電荷量為SKIPIF1<0，電容器兩極板電勢差為SKIPIF1<0，電容器的電容為SKIPIF1<0。下面關(guān)于SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0隨時間SKIPIF1<0的變化的圖像，正確的是____________。A．B．C．D．新高考的改進創(chuàng)新實驗【例2】在測定電容器電容的實驗中，將電容器C、電壓傳感器、阻值為3kΩ的電阻R、電源（6V）、單刀雙擲開關(guān)S按圖甲所示電路圖進行連接。先將開關(guān)S擲向1，電源給電容器充電，充電完畢后，將開關(guān)S擲向2，電容器放電，直至放電完畢。與電壓傳感器相連接的計算機所記錄的電壓隨時間變化的圖線如圖乙所示；由計算機對圖乙進行數(shù)據(jù)處理后得到的“峰值”及圖線與時間軸所圍“面積”的圖像如圖丙所示。（結(jié)果均保留兩位，有效數(shù)字）（1）充電過程中，流過電阻SKIPIF1<0的電流方向為______（填“向上”或“向下”）。（2）電容器充電結(jié)束時的帶電荷量為______SKIPIF1<0。（3）該電容器的電容為______SKIPIF1<0。（4）某同學認為，仍利用上述裝置，將電壓傳感器從電阻兩端改接在電容器的兩端進行實驗，也可以測出電容器的電容值。該同學的觀點是否正確______（填“正確”或“錯誤”）。【多維度分層專練】1．電流傳感器可以像電流表一樣測量電流，它可以和計算機相連，能畫出電流與時間的變化圖象。某同學設計了圖甲所示的電路來觀察電容器充、放電過程。當他將開關(guān)S接1時，待充電完成后，把開關(guān)S再與2接通，電容器通過電阻R放電，在計算機上顯示出電流隨時間變化的i—t圖象如圖乙所示。請根據(jù)以上操作回答：（1）電容器放電時，通過電阻R的電流方向是__________（選填“由a到b”或“由b到a”）（2）圖乙中圖線與兩坐標軸所包圍的面積的物理意義是__________。（3）若充電完成后，電容器所帶的電荷量為2.8×10-3C，且該同學使用的電源電動勢為8V，則該電容器的電容為__________F。（保留2位有效數(shù)字）（4）其它條件不變，僅減小R的阻值，則放電電流隨時間變化的i-t曲線應該是圖丙中的__________（選填“b”“c”或“d”）。2．測量電容器電容的方法多種多樣，其中利用電容器放電測電容是常用的方法，實驗電路如圖1所示，實驗器材主要有電源、理想電壓表V、兩個理想電流表A1和A2。被測電解電容器C、滑動變阻器R、兩個開關(guān)S1和S2導線若干。實驗主要步驟如下：①按圖1連接好電路。②斷開開關(guān)S2，閉合開關(guān)S1，讓電池組給電容器充電，當電容器充滿電后，讀出并記錄電壓表的示數(shù)U，然后斷開開關(guān)S1。③斷開開關(guān)S1后，閉合開關(guān)S2，每間隔5s讀取并記錄一次電流表A2的電流值I2，直到電流消失。④以放電電流I2為縱坐標，放電時間t為橫坐標，在坐標紙上作出I2—t圖像。（1）在電容器的充電過程中，電容器兩極板上的電荷量逐漸___________（選填“增大”或“減小”），電流表A1的示數(shù)逐漸__________（選填“增大”或“減小”）。（2）由I2—t圖像可知，充電結(jié)束時電容器儲存的電荷量Q=__________C。（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）（3）若步驟②中電壓表的示數(shù)U=2.95V，則滑動變阻器接入電路部分的阻值R=__________Ω。（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）（4）類比直線運動中由v—t圖像求位移的方法，當電容為C的電容器兩板間電壓為U時，電容器所儲存的電能Ep=__________（請用帶有U、C的表達式表示）。3．電容器是一種重要的電學元件，在電工、電子技術(shù)中應用廣泛。使用圖甲所示電路觀察電容器的充、放電過程。電路中的電流傳感器與計算機相連，可以顯示電路中電流隨時間的變化。圖甲中直流電源電動勢E=8V，實驗前電容器不帶電。先使S與“1”端相連給電容器充電，充電結(jié)束后，使S與“2”端相連，直至放電完畢。計算機記錄的電流隨時間變化的i=t曲線如圖乙所示。（1）乙圖中陰影部分的面積S1___________S2；（選填“>”、“<”或“=”）（2）計算機測得S1=1203mA·s，則該電容器的電容為_________F；（保留兩位有效數(shù)字）（3）由甲、乙兩圖可判斷阻值R1____________R2。（選填“>”、“<”或“=”）4．電容器作為儲能器件，在生產(chǎn)生活中有廣泛的應用。對給定電容值為C的電容器充電，無論采用何種充電方式，其兩極間的電勢差u隨電荷量q的變化圖像都相同。（1）求兩極間電壓為U時電容器所儲存的電能SKIPIF1<0___________（2）在如圖1所示的充電電路中，R表示電阻，E表示電源（忽略內(nèi)阻）。通過改變電路中元件的參數(shù)對同一電容器進行兩次充電，對應的SKIPIF1<0曲線如圖2①②中所示。a、①②兩條曲線不同是___________（選填E或R）的改變造成的；b、電容器有時需要快速充電，有時需要均勻充電。依據(jù)a中的結(jié)論，說明實現(xiàn)這兩種充電方式的途徑。___________（3）設想使用理想的“恒流源”替換（2）中電源對電容器充電，可實現(xiàn)電容器電荷量隨時間均勻增加。請思考使用“恒流源”和（2）中電源對電容器的充電過程，填寫下表（選填“增大”、“減小”或“不變”）?！昂懔髟础保?）中電源電源兩端電壓______________________通過電源的電流______________________5．超級電容器也稱電化學電容器，因其存儲能量大，質(zhì)量輕，可多次充放電而成為一種新型的儲能裝置。某探究小組的同學想研究某超級電容的充電現(xiàn)象。（1）用保護電阻SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、電流傳感器和其他器材設計如圖甲所示的電路，已知電源的電動勢SKIPIF1<0（電流傳感器內(nèi)阻和電源電動勢內(nèi)阻相較于SKIPIF1<0足夠小，可忽略不計）。①先將單刀雙擲開關(guān)接1后斷開，其目的是讓電容器初始電量______；②再將單刀雙擲開關(guān)接2，并將此時刻記為SKIPIF1<0。通過電流傳感器（與計算機相連）觀測得充電過程中電流傳感器示數(shù)i隨充電時間t變化的圖像如圖乙中Ⅰ曲線所示，請估算該實驗中所用超級電容的電容C約為______F（保留到小數(shù)點后一位）；③在充電過程中，電容器兩端電壓為u、電容器電荷量為q，充電時間為t，則下列圖像中它們之間的關(guān)系可能正確的是______（填正確答案標號）；A．

B．C．

D．6．電荷的定向移動形成電流，電流表示單位時間內(nèi)通過導體橫截面的電荷量，即SKIPIF1<0。圖甲是研究電容器充、放電過程中電壓和電流隨時間變化規(guī)律的實驗電路圖，按圖甲連接好實驗器材，根據(jù)實驗步驟，回答下列問題：（1）先接通開關(guān)K1，給電容器充電，然后斷開開關(guān)K1，再閉合開關(guān)K2，電容器放電，電阻R中電流的方向為___________（選填“a到b”或“b到a”）；（2）閉合開關(guān)K2的同時開始計時，通過計算機在同一坐標系中描繪出電壓U和電流I隨放電時間t的變化圖線，如圖乙所示。圖中電流I隨時間t的變化圖線與坐標軸圍成的陰影面積的物理意義是___________，圖中陰影面積S1與陰影面積S2的比值是___________；（3）若用計算機測得圖中陰影面積S1=916.13mA?s，則該電容器的電容為___________F。（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）7．某實驗小組利用圖（a）所示電路測量一電容器的電容，實驗器材有：待測電容器（電容標稱值SKIPIF1<0），6節(jié)干電池，定值電阻R，電壓傳感器，電流傳感器，計算機，單刀雙擲開關(guān)S，導線若干。請回答下列問題：（1）按圖（a）連接實物電路。先將開關(guān)S從2端撥至1端，電源對電容器充電；再將開關(guān)S撥至2端，電容器放電。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SKIPIF1<0圖線、SKIPIF1<0圖線，則曲線___________（選填①②③④）表示電容器充電過程的SKIPIF1<0圖線，曲線___________（選填①②③④）表示電容器放電過程的SKIPIF1<0圖線；（2）已知每節(jié)干電池的電動勢為1.6V，為了完成上述實驗，至少需要將___________節(jié)干電池串聯(lián)作為電源；（3）根據(jù)圖（b）估算當電容器充電完畢時所帶的電荷量是___________C，計算電容器的電容C=___________SKIPIF1<0，該值與SKIPIF1<0的差異為SKIPIF1<0___________%；（結(jié)果均保留2位有效數(shù)字）（4）圖（c）中實線表示上述實驗中得到的SKIPIF1<0圖線，若串聯(lián)接入電路的干電池個數(shù)保持不變，減小電阻R，則得到SKIPIF1<0圖線可能是圖（c）中的虛線___________（選填“a”“b”“c”）。8．利用SKIPIF1<0電流傳感器可以測量電容器的電容。讓充電后的電容器通過大電阻R放電，電流傳感器A與計算機連接，記錄放電電流隨時間變化的圖像如圖