第九章 實(shí)驗(yàn)十 觀察電容器的充、放電現(xiàn)象

第九章靜電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)十觀察電容器的充、放電現(xiàn)象Contents教材幫讀透教材融會(huì)貫通高考幫研透高考明確方向03練習(xí)幫練透好題精準(zhǔn)分層01Loremipsumdolorsitamet,consecteturadipisicingelit.目錄觀察電容器的充、放電現(xiàn)象是課標(biāo)新增實(shí)驗(yàn)，在高考中已經(jīng)出現(xiàn)了對(duì)該實(shí)驗(yàn)的考

查，如2023年新課標(biāo)卷T22、山東卷T14、福建卷T13.本實(shí)驗(yàn)可以形象地將電容器

充、放電過程中電流隨時(shí)間變化的規(guī)律呈現(xiàn)出來，更重要的是處理數(shù)據(jù)時(shí)由“i－

t”圖像求電容器充、放電的電荷量所用的方法，這對(duì)學(xué)生領(lǐng)會(huì)“微元”“化歸”等

思想方法有著積極意義.預(yù)計(jì)2025年高考中仍會(huì)出現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)的考查.1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?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)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.2.實(shí)驗(yàn)原理電容器的充電過程

如圖，在充電開始時(shí)電流比較[1]

(填“大”或

“小”)，以后隨著極板上電荷的增多，電流逐漸[2]

?

(填“增大”或“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.電容器的放電過程

如圖，放電開始電流較[3]

(填“大”或“小”)，隨

著兩極板上的電荷量逐漸減小，電路中的電流逐漸[4]

?

(填“增大”或“減小”)，兩極板間的電壓也逐漸減

小到零.大減

小大減

小3.實(shí)驗(yàn)器材直流電源、導(dǎo)線、單刀雙擲開關(guān)、電容器、定值電阻、電流表(電流傳感器)、電壓

表(電壓傳感器).4.實(shí)驗(yàn)步驟(1)按圖連接好電路.(2)把單刀雙擲開關(guān)S打在上面，使觸點(diǎn)1和觸點(diǎn)2連通，觀察電容器的充電現(xiàn)象，并將結(jié)果記錄在表格中.(3)將單刀雙擲開關(guān)S打在下面，使觸點(diǎn)3和觸點(diǎn)2連通，觀察電容器的放電現(xiàn)象，并

將結(jié)果記錄在表格中.(4)記錄好實(shí)驗(yàn)結(jié)果，關(guān)閉電源.5.數(shù)據(jù)處理在I－t圖中畫出如圖所示的豎立的狹長(zhǎng)矩形(Δt很小)，它的面積的物理意義是在Δt時(shí)

間內(nèi)通過電流表的電荷量.6.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)在做放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，電路中要串聯(lián)一個(gè)電阻，避免燒壞電流表.(4)實(shí)驗(yàn)要在干燥的環(huán)境中進(jìn)行.命題點(diǎn)1教材基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)1.在“用傳感器觀察電容器的充、放電過程”實(shí)驗(yàn)中，按圖(a)所示連接電路.電源電

動(dòng)勢(shì)為8.0V，內(nèi)阻可以忽略.單刀雙擲開關(guān)S先跟2相接，某時(shí)刻開關(guān)改接1，一段時(shí)

間后，把開關(guān)再改接2.實(shí)驗(yàn)中使用電流傳感器來采集電流隨時(shí)間的變化信息，并將

結(jié)果輸入計(jì)算機(jī).(1)為觀察電容器C充電時(shí)的現(xiàn)象，應(yīng)將單刀雙擲開關(guān)S接

(填“1”或“2”).[解析]

充電時(shí)必須將電容器接電源，故將單刀雙擲開關(guān)撥向1.1

(2)在充電過程中，測(cè)繪的充電電流i隨時(shí)間t變化的圖像可能正確的是

?.A

[解析]

電容器充電時(shí)，隨著電荷量的增加，電容器兩極板間電壓升高，電阻R兩

端分得的電壓減小，電路中電流逐漸減小，電容器兩極板間電壓增大到等于電源電

壓之后，電流減小為零，A正確.(3)用圖(a)所示電路來觀察電容器C的放電現(xiàn)象：使用電流傳感器測(cè)量放電過程中電

路的電流，并將結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)，得到了圖(b)所示的電流i與時(shí)間t的關(guān)系圖像.①通過i－t圖像可以發(fā)現(xiàn)：電容器放電時(shí)，電路中的電流減小得越來越

(填“快”或“慢”).慢[解析]

從圖(b)中可以看出放電時(shí)電流減小得越來越慢(斜率的絕對(duì)值表示電流的變化快慢)；

②已知圖(b)中圖線與坐標(biāo)軸所圍成圖形的面積表示電容器放電過程中所釋放的電荷量，根據(jù)圖像可估計(jì)電容器放電前所帶電荷量Q約為

C，電容器的電容C約為

F.(結(jié)果均保留2位有效數(shù)字)3.2×10－3

4.0×10－4

(4)關(guān)于電容器在整個(gè)充、放電過程中的q－t圖像和UAB－t圖像的大致形狀，可能正

確的有

(q為電容器極板所帶的電荷量，UAB為A、B兩板的電勢(shì)差).AD

(5)圖(c)中實(shí)線是實(shí)驗(yàn)得到的放電時(shí)的i－t圖像，如果不改變電路的其他參數(shù)，只減

小電阻R的阻值，則得到的i－t圖線可能是圖(c)中的

(填“①”“②”或

“③”).[解析]

若只減小電阻R的阻值，則開始時(shí)刻的電流將增大，i－t圖像的縱截距增

大，由于總的電荷量一定，則圖像與坐標(biāo)軸圍成的面積相同，故曲線②符合要求.②

(6)改變電源電動(dòng)勢(shì)，重復(fù)多次上述實(shí)驗(yàn)，得到電容器在不同電壓U下充滿電時(shí)所帶

的電荷量Q，并作出Q－U圖像，則圖像應(yīng)是

?.[解析]

對(duì)一個(gè)特定的電容器，由Q＝CU可知其帶電荷量與電壓成正比，B正確.B

命題點(diǎn)2創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)2.[2023山東]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

端滑動(dòng)(填“a”或“b”).[解析]

滑動(dòng)變阻器采用分壓式接法，根據(jù)電路圖可知，滑片向b端滑動(dòng)時(shí)，充電

電壓升高.b

(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(保留1位小

數(shù)).圖乙[解析]

電壓表的量程為15V，每個(gè)小格表示0.5V，即電壓表的分度值為0.5V，

即在本位估讀，讀得示數(shù)為6.5V.6.5

(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I－t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).3.8×10－3

圖丙

(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

(填“D1”或“D2”)閃光.[解析]

電容器左側(cè)極板為正極板，開關(guān)S2擲向2時(shí)電容器放電，電流從電容器左

側(cè)流出，結(jié)合二極管的單向?qū)щ娦?，易知D1導(dǎo)通并閃光，D2截止不亮.4.8×10－4

D1

1.[2022北京]利用如圖所示電路觀察電容器的充、放電現(xiàn)象，其中E為電源，R為定

值電阻，C為電容器，

為電流表，

為電壓表.下列說法正確的是(

B

)A.充電過程中，電流表的示數(shù)逐漸增大后趨于穩(wěn)定B.充電過程中，電壓表的示數(shù)迅速增大后趨于穩(wěn)定C.放電過程中，電流表的示數(shù)均勻減小至零D.放電過程中，電壓表的示數(shù)均勻減小至零B123456[解析]

電容器充電→

電容器放電→

1234562.電流傳感器可以捕捉到瞬間的電流變化，它與計(jì)算機(jī)相連，可以顯示出電流隨時(shí)

間變化的I－t圖像.按圖甲所示連接電路.直流電源電動(dòng)勢(shì)為9V，內(nèi)阻可忽略，電容

器選用電容較大的電解電容器.先使開關(guān)S與1端相連，電源向電容器充電；然后把開

關(guān)S擲向2端，電容器通過電阻R放電，傳感器將電流信息傳入計(jì)算機(jī).屏幕上顯示出

電流隨時(shí)間變化的I－t圖像如圖乙所示.123456(1)在圖乙所示的I－t圖像中用陰影標(biāo)記面積的物理意義是

?

?.[解析]

題圖乙中1～3.4s的I－t圖線是充電電流隨時(shí)間變化的規(guī)律圖線，又I－t圖線與t軸所圍成的面積表示電荷量，則題圖乙中陰影面積的物理意義是通電0.2s電容器增加(或流過電阻R)的電荷量.通電0.2s電容器增加的電荷量(或流過

電阻R的電荷量)

123456(2)根據(jù)I－t圖像估算當(dāng)電容器開始放電時(shí)所帶的電荷量q0＝

?

，并計(jì)算電容器的電容C＝

.(均保留2

位有效數(shù)字)1.8×10－3C(1.7×10－3

C也正確)

2.0×10－4F(1.9×10－4F也正確)

123456

123456(3)如果不改變電路其他參數(shù)，只減小電阻R，充電時(shí)I－t曲線與橫軸所圍成的面積

將

(選填“增大”“不變”或“變小”)；充電時(shí)間將

(選填“變

長(zhǎng)”“不變”或“變短”)，簡(jiǎn)要說明原因：

?.

不變變短充電電流增大1234563.某同學(xué)通過實(shí)驗(yàn)觀察電容器的放電現(xiàn)象，采用的實(shí)驗(yàn)電路如圖甲所示，已知所用

電解電容器的長(zhǎng)引線是其正極，短引線是其負(fù)極.(1)按圖甲連接好實(shí)驗(yàn)電路，開關(guān)S應(yīng)先接到

，再接到

(均選填“1”或

“2”)，觀察電容器的放電現(xiàn)象.[解析]

連接好電路圖，開關(guān)S應(yīng)先接到1對(duì)電容器進(jìn)行充電，再接到2使電容器放

電，觀察電容器的放電現(xiàn)象.1

2

123456(2)根據(jù)圖甲電路，請(qǐng)?jiān)趫D乙中用筆畫線代替導(dǎo)線，完成實(shí)物電路的連接.[答案]

如圖1所示圖1[解析]

根據(jù)題圖甲所示電路圖連接實(shí)物電路圖，注意電容器正極接電流表正接線

柱，實(shí)物電路圖如圖1所示.123456(3)電容器開始放電的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，每隔5s讀一次電流表的值i，記錄數(shù)據(jù)如下表.時(shí)間t/s0510152025電流i/μA500392270209158101時(shí)間t/s303540455055電流i/μA7549302393請(qǐng)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在圖丙中作出電流i隨時(shí)間t變化的圖線.123456[答案]

如圖2所示[解析]

根據(jù)表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在題圖丙中描出對(duì)應(yīng)點(diǎn)，然后畫一條平滑曲線，讓盡可

能多的點(diǎn)過曲線，不能過曲線的點(diǎn)大致均勻分布在曲線兩側(cè)，作出圖像如圖2所示.圖21234564.在“用傳感器觀察電容器的充電”實(shí)驗(yàn)中，電路圖如圖甲所示.一位同學(xué)使用的電

源電壓為8.0V，測(cè)得充滿電的電容器放電的I－t圖像如圖乙所示.(1)I－t圖線與兩坐標(biāo)軸圍成的面積表示的物理意義是

?

；若按“數(shù)格子”(等于或多于半格算一格，小于半格舍去)法計(jì)算，則電容器

在全部放電過程中釋放的電荷量約為

C(結(jié)果保留2位有效數(shù)字).[解析]

電容器的放電圖像是一條逐漸下降的曲線，而q＝It，由微元法可知，I－

t圖線與坐標(biāo)軸圍成的面積表示放電過程中放出的總的電荷量.圖線下約有30格，所

以電容器在全部放電過程中釋放的電荷量約為Q＝30×0.0002×0.4C＝2.4×10－3C.放電過程中放出的總的電荷

量2.4×10－3

123456(2)根據(jù)以上數(shù)據(jù)估算電容器的電容為

F(結(jié)果保留2位有效數(shù)字).

3.0×10－4

(3)如果將電阻R換成一個(gè)阻值更大的電阻，則放電過程釋放的電荷量

(填

“變多”“不變”或“變少”).[解析]

由于電容器充滿電后所帶的電荷量一定，所有電荷量將通過電阻釋放，

若將電阻R換成一個(gè)阻值更大的電阻，對(duì)應(yīng)的I－t圖像更加平緩些，但釋放電荷的總

量不變.不變123456

5.如圖甲所示是利用電流傳感器系統(tǒng)研究電容器充電情況的電路圖.將電容器C1接入

電路檢查無誤后進(jìn)行了如下操作：圖甲圖乙123456①將S撥至1，并接通足夠長(zhǎng)的時(shí)間；②將S撥至2；③觀察并保存計(jì)算機(jī)屏幕上的I－t圖，得到圖線Ⅰ(圖乙Ⅰ)；④換上電容器C2重復(fù)前面的操作，得到圖線Ⅱ(圖乙Ⅱ).(1)操作①的作用是

?.[解析]

由題圖甲可知，將S撥至1，電容器與電阻R串聯(lián)，所以電容器放電，最

終電容器不帶電.使電容器不帶電圖乙123456(2)兩個(gè)電容器相比較，C1的電容

(填“較大”“較小”或“與C2的電容相

等”).

較大圖乙123456(3)由I－t圖線可以分析出，兩個(gè)電容器都充電2s時(shí)，C1的電壓

(填“大

于”“小于”或“等于”)C2的電壓.

小于圖乙1234566.[2023新課標(biāo)]在“觀