實驗十　觀察電容器的充、放電現(xiàn)象

6/6實驗十觀察電容器的充、放電現(xiàn)象考情調(diào)研命題特征高考已經(jīng)將觀察電容器的充、放電現(xiàn)象實驗變?yōu)楸乜紝嶒?，?023年山東卷和新課標卷高考中都對本實驗進行了考查。預(yù)計在2025年的高考中，觀察電容器的充、放電現(xiàn)象實驗作為電學實驗出現(xiàn)的幾率很大1.考裝置：電路連接、器材裝配以及其他器材替代。2.考圖像：通過I-t圖像求解充電或放電電荷量。3.考變化：實驗原理創(chuàng)新電容器作為儲能器件，在生產(chǎn)生活中有廣泛的應(yīng)用。某同學利用如圖甲所示的電路觀察電容器的充、放電現(xiàn)象。【實驗原理】（1）當開關(guān)撥到位置“1”時，電容器接通電源，電容器開始（選填“充電”或“放電”），以后隨著極板上電荷量的增多，電流逐漸（選填“增大”或“減小”），當電容器兩極板間電壓等于電源電壓時電路中的電荷停止定向移動，電流I＝0；當開關(guān)撥到位置“2”時，電容器開始（選填“充電”或“放電”），隨著兩極板上電荷量逐漸減小，電路中電流逐漸減小直至減小到零?！緦嶒灢襟E】（2）根據(jù)圖甲所示電路，請在圖乙中用筆畫線代替導(dǎo)線，完成實物電路的連接。（3）撥動開關(guān)使電源給電容器充電，一段時間后，撥動開關(guān)到另一位置，使電容器放電，每隔5秒讀一次微安表的示數(shù)。記錄好實驗結(jié)果后，關(guān)閉電源?！緮?shù)據(jù)處理】（4）在充電過程中充電電流I隨時間t變化的圖像可能正確的是。（5）電容器放電過程中記錄的部分數(shù)據(jù)如表中所示。時間t/s0510152025303540455055電流i/μA5003922702091581017549302393請根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在圖丙中作出電流i隨時間t變化的圖像。聽課記錄1.觀察電容器充電現(xiàn)象（1）按照“觀察電容器充電的電路圖”（如圖所示）連接好電路（2）閉合開關(guān)，給電容器充電。（3）根據(jù)傳感器傳遞給電子計算機的電流信息，通過計算機中的軟件將傳感器收集的信息擬合成I-t圖像，仔細觀察I-t圖像，可以分析出電容器充電時電流隨時間變化的規(guī)律（如圖所示）。2.觀察電容器放電現(xiàn)象（1）按照“觀察電容器放電的電路圖”（如圖所示）連接好電路。（2）先將開關(guān)S扳向1，給電容器充電完畢后，將開關(guān)扳向2，電容器將通過電阻R放電。（3）根據(jù)傳感器傳遞給電子計算機的電流信息，通過計算機中的軟件將傳感器收集的信息擬合成I-t圖像，仔細觀察I-t圖像，可以分析出電容器放電時電流隨時間變化的規(guī)律（如圖所示）。3.數(shù)據(jù)處理若實驗電路中直流電源電壓為8V。（1）在圖中畫出一個如圖所示豎立的狹長矩形（Δt很?。?，它的面積的物理意義表示在Δt時間內(nèi)通過電流傳感器的電荷量。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)通過電流傳感器的電荷量，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)。（3）電容器兩極板之間的電壓等于電源電動勢，由電容器定義式C＝QU估算出電容器的電容C4.注意事項（1）要選擇大容量的電容器。（2）實驗要在干燥的環(huán)境中進行。5.誤差分析本實驗中的誤差來源主要取決于電流傳感器的靈敏度與計算機數(shù)據(jù)收集處理軟件的準確性。（2023·新課標卷22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(guān)以及導(dǎo)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(yīng)該與電池的（選填“正極”或“負極”）接觸。（2）某同學設(shè)計的實驗電路如圖（a）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。（填正確答案標號）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，再次記錄電流隨時間的變化情況。兩次得到的電流I隨時間t變化如圖（b）中曲線所示，其中實線是電阻箱阻值為（選填“R1”或“R2”）時的結(jié)果，曲線與坐標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”）?！镜淅浚?023·山東高考14題）電容儲能已經(jīng)在電動汽車，風、光發(fā)電，脈沖電源等方面得到廣泛應(yīng)用。某同學設(shè)計圖甲所示電路，探究不同電壓下電容器的充、放電過程，器材如下：電容器C（額定電壓10V，電容標識不清）；電源E（電動勢12V，內(nèi)阻不計）；電阻箱R1（阻值0～99999.9Ω）；滑動變阻器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，計算機，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)S1，若要升高電容器充電電壓，滑動變阻器滑片應(yīng)向端滑動（選填“a”或“b”）。（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（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)圖像可估算出充電結(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“D1”或“D2”）閃光。

三步穩(wěn)解題（1）分析實驗?zāi)康模禾骄坎煌妷合码娙萜鞯某?、放電過程。（2）確定實驗原理：通過滑動變阻器分壓式接法對用電器供電，調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片位置，電容器可獲得不同電壓。（3）制定數(shù)據(jù)處理方案：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)I-t圖像估算出電容器存儲的電荷量。聽課記錄電流傳感器可以在電腦端記錄電流隨時間變化的圖像。探究實驗小組設(shè)計了如圖甲所示的實驗電路，來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(guān)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（填正確答案標號）。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(guān)于本次實驗探究，下列判斷正確的是（填正確答案標號）。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(yīng)大致相等（2）第二次探究中，該同學先將開關(guān)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。①探究實驗小組得到了振蕩電路電流波形圖像，選取了開關(guān)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