10-9电容器充放电实验（解析版）--2024高考一轮物理复习100考点100讲

这是一份10-9电容器充放电实验（解析版）--2024高考一轮物理复习100考点100讲，共21页。试卷主要包含了9讲 电容器充电放电实验，51V误差较大，7—8等内容，欢迎下载使用。

2024年高考一轮复习100考点100讲
第10章 静电场
第10.9讲 电容器充电放电实验
【知识点精讲】
[实验目的]
1．观察电容器的充、放电现象。
2．探究电容器的充、放电过程中，电流、电压、电量及能量的转化过程。[来源:Z_xx_k.Com]
[实验原理]
1．充电：电源使电容器的两极板带上等量异种电荷的过程。如图1－1甲。

图1－1
2．放电：用导线将充好电的电容器的两极板相连，使两极板的异种电荷中和的过程，如图乙。
3．电容器充放电时的能量转化：充电后，电容器储存了电能。放电时，储存的电能释放出来，转化为其他形式的能。
[实验器材]
直流电源、电阻、电容器、电流表（或电流传感器和计算机）、电压表、单刀双掷开关、导线。
【温馨提示】电流传感器,与计算机相连,可以测出电容器的放电电流随时间变化关系图像。
[实验步骤]
1．把直流电源、电阻、电容器、电流表、电压表以及单刀双掷开关组装成实验电路(如图1－2所示)。
2．把开关S接1，此时电源给电容器充电。在充电过程中，可以看到电压表示数迅速增大，随后逐渐稳定在某一数值，表示电容器两极板具有一定的电势差。通过观察电流表可以知道，充电时电流由电源的正极流向电容器的负极板。同时，电流从电容器的负极板流向电源的负极。随着两极板之间电势差的增大，充电电流逐渐减小至0，此时电容器两极板带有一定的等量异种电荷。即使断开电源，两极板上电荷由于相互吸引而仍然被保存在电容器中。

把电流表、电压表换成电流传感器和电压传感器的电路如图。

3．把开关S接2，电容器对电阻R放电。观察电流表可以知道，放电电流由电容器的正极板经过电阻R流向电容器的负极板，正负电荷中和。此时两极板所带的电荷量减小，电势差减小，放电电流也减小，最后两极板电势差以及放电电流都等于0。
电容器充电的I——t图像

电容器放电的I——t图像

[注意事项]
1．电容器的电容要大一些，电源的电压在6 V左右。
2．开关向1闭合时，仔细观察灵敏电流计指针的偏转方向。
3．开关向2闭合时，仔细观察灵敏电流计指针的偏转方向。
【方法归纳】
电容器放电的I——t图像面积表示电容器带电荷量。
【最新高考题精练】
1.（2023全国新课程卷）22．（6分）在“观察电容器的充、放电现象”实验中，所用器材如下：电池、电容器、电阻箱、定值电阻、小灯泡、多用电表、电流表、秒表、单刀双掷开关以及导线若干。

图（a） 图（b）
（1）用多用电表的电压挡检测电池的电压。检测时，红表笔应该与电池的________（填“正极”或“负极”）接触。
（2）某同学设计的实验电路如图（a）所示。先将电阻箱的阻值调为R，将单刀双掷开关S与“1”端相接，记录电流随时间的变化。电容器充电完成后，开关S再与“2”端相接，相接后小灯泡亮度变化情况可能是________。（填正确答案标号）
A．迅速变亮，然后亮度趋于稳定
B．亮度逐渐增大，然后趋于稳定
C．迅速变亮，然后亮度逐渐减小至熄灭
（3）将电阻箱的阻值调为，再次将开关S与“1”端相接，再次记录电流随时间的变化情况。两次得到的电流I随时间t变化如图（b）中曲线所示，其中实线是电阻箱阻值为________（填“R1”或“R2”）时的结果，曲线与坐标轴所围面积等于该次充电完成后电容器上的________（填“电压”或“电荷量”）。
【参考答案】（1）正极 （2）C （3）R2 电荷量
【名师解析】（1）用多用电表的电压挡检测电池的电压。检测时，红表笔应该与电池的正极接触。
（2）电容器充电完成后，开关S再与“2”端相接，电容器放电，通过小灯泡的电流迅速减小，即相接后小灯泡亮度变化情况可能是迅速变亮，然后亮度逐渐减小至熄灭，C正确；（3）将电阻箱的阻值调为，得到的电流I随时间t变化如图（b）中曲线所示，其中实线是电阻箱阻值较大即为R2时的结果，曲线与坐标轴所围面积等于该次充电完成后电容器上的电荷量。

2（2015·海南物理）某同学利用图（a）所示电路测量电容器充电时两极板间的电压随时间的变化。实验中使用的器材为：电池E（内阻很小）、开关和、电容器C（约100）、电阻（约200k）、电阻（1k）、电压表V（量程6V）、秒表、导线若干。
(1)按图（a）所示的电路原理将图（b）中实物图连线。



(2)先闭合开关，再断开开关：闭合开关，同时按下秒表开始计时。若某时刻电压表示数如图（c）所示，电压表的读数为________V（保留2位小数）。
(3)该同学每隔10s记录一次电压表的读数 ，记录的数据如下表所示，

在答题卡给出的坐标纸上绘出图线，已知只有一个数据点误差较大，该数据点对应的表中的时间是______s。

(4)电路中C、和构成的回路的作用是___________。
【参考答案】（1）实物图连线如图。
（2）3.60V（3）40s（4）使实验前电容器两极板上的电荷相中和

【名师解析】电压表的量程为6V，最小刻度值为0.1V，电压表的读数为3.60V.
根据表中的测量数据，在坐标纸上描出各点，用平滑曲线连接绘出图线，由图线可知，40s对应的4.51V误差较大。
电路中C、和构成的回路的作用是测量电容器充电时两极板间的电压随时间的变化图线实验前，先对电容器放电，电容器两极板上的电荷相中和。



【最新模拟题精练】
1. (2023湖南长沙一中三模)在“用传感器观察电容器的充放电过程”实验中，按图1所示连接电路。电源电动势为8.0V，内阻可以忽略。单刀双掷开关S先跟2相接，某时刻开关改接1，一段时间后，把开关再改接2。实验中使用了电流传感器来采集电流随时间的变化情况。

（1）如果用欧姆表直接连接待测电容器（未充电）两端，观察到指针的偏转情况是_______；
A．偏转角度一直很小
B．偏转角度一直很大
C．偏转角度逐渐增大
D．偏转角度先很大，再逐渐减小
（2）电容器充电后，开关S改接2使电容器进行放电，此过程得到的图像如图2所示，如果不改变电路其他参数，只减小电阻R的阻值，则此过程的曲线与坐标轴所围成的面积将_______（选填“减小”“不变”或“增大”）。
（3）若实验中测得该电容器在整个放电过程中释放的电荷量，则该电容器的电容为_____μF。
（4）关于电容器在整个充，放电过程中的图像和图像的大致形状，可能正确的有______（q为电容器极板所带的电荷量，为A，B两板的电势差）。
A． B．
C． D．
【参考答案】 ①. D ②. 不变 ③. 430 ④. AD##DA
【名师解析】
（1）[1]用欧姆表直接连接待测电容两端，表内部电源给电容器充电，在开始时电流较大，所以指针的偏转角度很大，随着电容器所带电荷量不断增大，充电电流逐渐减小，所以指针的偏转角度逐渐减小。故选D。
（2）[2]根据，电荷量与电阻值R无关，如果不改变电路其他参考数，只减小电阻R的阻值，则此过程的曲线与坐标轴所围成的面积将不变。
（3）[3]根据电容的定义式可得
（4）电容器在充电过程中，电流由最大逐渐减小，放电过程电流也是由最大逐渐减小，根据图像的倾斜程度表示电流的大小，A正确，B错误；
根据电容的定义式可得
电容器的电容不变，C错误，D正确。
2．（9分） （2023广东茂名市一中三模）电容器是一种重要的电学元件，在电工、电子技术中应用广泛。某实验小组用如图甲所示的电路研究电容器充、放电情况及电容大小，他们用电流传感器和计算机测出电路中电流随时间变化的曲线。
实验时，根据图甲所示的电路原理图连接好电路，时刻把开关K掷向1端，电容器充电完毕后，再把开关K掷向2端，电容器通过电阻R放电，传感器将电流信息传入计算机，屏幕上显示出电流随时间变化的图像如图乙所示。
（1）电容器放电时，流过电阻R的电流方向为________；（选填“由a到b”或“由b到a”）
（2）乙图中，阴影部分的面积______；（选填“>”、“<”或“=”）
（3）如果不改变电路其他参数，只减小电阻R，放电时间将________；（填“变长”、“不变”或“变短”）
（4）图丙为电压恒为的电源给电容器充电时作出的电流随时间变化的图像，电容器充电完毕后的电荷量为________C，电容器的电容为C=________F。（计算结果均保留两位有效数字）

【参考答案】．（9 分） （1） 由a到b （2分） （2） = （2分） （3） 变短 （2分）
（4） （7.7—8.2） (2分) (0.96—1.02) （2分）
【名师解析】（1）[1]电容器充电时上极板接电源正极，故上极板带正电荷，放电时上极板正电荷通过电阻流向下级板，故流过电阻R的电流方向为由a到b。
（2）[2]根据电流的定义式

则

乙图中，阴影部分的面积等于充、放电的电荷量，而充放电的电荷量相等，故

（3）[3] 根据电流的定义式

可得

如果不改变电路其他参数，只减小电阻R，则放电电流将增大，由上式可知放电时间将变短。
（4）[4]根据图像的面积表示电容器充电完毕后的电荷量，由图知，每小格代表的电荷量为

数出图线包围的格数，满半格或超过半格的算一格，不满半格的舍去，数得格数为32格，则电容器充电完毕后的电荷量为

[5]根据电容的定义知，电容器的电容为



3．（10分）（2023广东二模）如图为“观察电容器的充、放电现象”实验．
实验器材：电源E（电动势，内阻可忽略）、电容器C（标称电容值为，击穿电压为）、电阻箱R、微安表G、单刀双掷开关S和导线若干．完成下列实验的相关内容：

（1）按照图甲的电路图，把图乙中的器材连接成完整的实验电路．
（2）实验步骤：
步骤①将开关S打到1，给电容器C充电，观察微安表G的示数变化直到读数稳定；
步骤②先打开手机视频录制软件，再将开关S打到2位置，观察并用视频记录电容器C的放电过程中微安表G的示数变化情况；
步骤③断开开关S，查阅视频，记录内，微安表G的读数随时间变化的数据；
步骤④在坐标纸上以时间t为横轴，微安表G的读数I为纵轴，描点作出图像，如图丙．

（3）分析图丙可知：
①电容器放电过程电流的变化规律为：放电电流逐渐__________（选填“增大”“减小”或“不变”），放电电流随时间的变化率逐渐__________（选填“增大”“减小”或“不变”）；
②丙图中，图像与横轴所包围的面积为86格，则可求得该电容器的电容值为__________．（保留2位有效数字）
（4）步骤①中，微安表G的读数稳定时，并不为0，始终保持在，出现这种现象的原因是电容器__________（选填“短路”或“漏电”）。
【参考答案】．（1）如图

（3）①减小 减小 ② （4）漏电
【名师解析】（1）按照图甲的原理电路图，把图乙中电容器另一接线头与单刀双掷开关的中间接线柱连接，电池的负极与单刀双掷开关的另一接线柱连接，即连接成完整的实验电路．
（3）①电容器放电过程电流的变化规律为：放电电流逐渐减小，图像斜率大小表示放电电流随时间的变化率，由I——t图像斜率变小可知放电电流随时间的变化率逐渐减小；
②丙图中每格代表的电荷量为5×10μAs=5×10-5C，图像与横轴所包围的面积为86格，电容器带电荷量Q=86×5×10-5C=43×10-4C，U=E=9.5V，由C=Q/U可求得该电容器的电容值为C=．
（4）步骤①中，微安表G的读数稳定时，并不为0，始终保持在，出现这种现象的原因是电容器漏电。
4. （2023长春三模）某同学利用图甲所示电路观察电容器的充电和放电现象，计算机屏幕显示出放电过程的图像如图乙所示。下列说法正确的是（　　）

A. 电容器放电时电子由b向a通过电阻R
B. 电容器放电过程中电阻R两端电压逐渐增大
C. 将电阻R换成阻值更大的电阻，放电时间变短
D. 电容器充电结束所带电荷量约为
【参考答案】：D
【名师解析】：开关S接1时电源给电容器充电后上极板带正电，开关S接2时，电容器放电，电流由极板正极流过电阻R到负极板，而电子的移动方向与电流方向相反，则电子由a向b通过电阻R，故A错误；
电容器放电过程中电流逐渐减小，根据欧姆定律，可知电阻R两端电压逐渐减小，故B错误；
由可知，图像中曲线与坐标轴围成面积即电容器充电结束时所带电荷量，若R增大，总电量不变，则对电流阻碍作用增大，即电流减小，故放电时间会边长，故C错误；
．图像中曲线与坐标轴围成的面积即电容器充电结束时所带电荷量，格数割补后约为1.3格，则电量约为，故D正确。

5．（9分）（2023四川遂宁三诊）某同学在实验室发现一只电压标称为10V、电容标称模糊的电容器，现他找了以下器材来测该电容器的电容值。
蓄电池：20V，内阻可不计
电压表：12V, 内阻很大
定值电阻有三只：10Ω；50Ω；100Ω
滑动变阻器：标称为“30V, 50Ω”
一只单刀单掷开关：S1
一只单刀双掷开关：S2
一台数字电流计，可接电子显示屏，显示电流随时间的变化过程
实验操作步骤如下：
（1） 该同学按图1所示电路图进行组装电路，则定值电阻R1阻值应选 Ω。
（2）他先闭合开关S1，S2刀片掷于 ，调节滑动变阻器R2，稳定后读出电压表读数为4V。然后，他把S2刀片掷于 ，在电子显示屏上得到如图2中的甲曲线。
（3）利用单位面积法算得I-t图中甲曲线和两坐标轴所围的面积为0.04mA·s，已知电容器放电时其内阻可以忽略不计，则电容器的电容为C = F。
（4）接着，他以同样的操作步骤，重新调节滑动变阻器R2，在电子显示屏上得到如图2中的乙曲线，则稳定时电压表读数为 V。（保留两位有效数字）


【参考答案】．（1）........2分， （2）b........1分；a........1分
（3）........2分 （4）........3分
【名师解析】（1）由于电容标称电压为10V，电源电动势为20V，所以定值电阻R1阻值应选与滑动变阻器阻值相差不多的50Ω。
（2）他先闭合开关S1，S2刀片掷于b，电容器充电，调节滑动变阻器R2，稳定后读出电压表读数为4V。然后，他把S2刀片掷于a，电容器放电，在电子显示屏上得到如图2中的甲曲线。
（3）利用单位面积法算得I-t图中甲曲线和两坐标轴所围的面积为0.04mA·s，即电容器带电荷量Q=0.04mA·s，电压为U=4V，已知电容器放电时其内阻可以忽略不计，由C=Q/U可得则电容器的电容为C =1×10-5F。
（4）接着，他以同样的操作步骤，重新调节滑动变阻器R2，在电子显示屏上得到如图2中的乙曲线利用单位面积法算得I-t图中甲曲线和两坐标轴所围的面积为0.07mA·s，，即电容器带电荷量Q=0.07mA·s，由C=Q/U可得U=7.0V，即稳定时电压表读数为7.0V。（保留两位有效数字）

6. （2023广州二模）用图甲所示的电路观察电容器的充、放电现象，请完成下列实验内容。

（1）实验时，要通过电流表指针的偏转方向来观测电路中电流的方向。因此电流表应采用图乙中的_____（选填“a”、“b”）；
（2）依照图中所示的电路图，将图乙的实验器材用笔画线代替导线连接成实验电路_________（图中已有部分连接）：
（3）开关S接1后，小灯泡L_______（填选项前的字母）：
A.一直不亮
B. 逐渐变亮，稳定后保持亮度不变
C. 突然变亮，然后逐渐变暗，直到熄灭
（4）开关S接1足够长时间后，再将开关S接2。开关S接2之后电压表读数_____（选填“逐渐增大”“逐渐减小”）；
（5）图乙中电容器的电容为____μF。当电容器的电压为10V时其带电量为______C（保留两位有效数字）。
【参考答案】： ①. a ②.
③. C ④. 逐渐减小 ⑤. 3300 ⑥. 0.033
【名师解析】：（1）[1]通过电流表指针的左右偏转观察电流方向，故应选择a。
（2）[2]如图所示

（3）[3]开关S接1后，电源给电容器充电，开始电流较大，随着极板带电量增多，电流逐渐减小，最后为0，所以小灯泡L突然变亮，然后逐渐变暗，直到熄灭。
故选C。
（4）[4]开关S接2之后电容器放电，两极板电势差逐渐减小到0，所以电压表示数逐渐减小到0。
（5）[5][6]图乙中电容器的电容为3300μF，当电容器的电压为10V时其带电量为

7. （2023湖南邵阳二模）随着传感器技术的不断进步，传感器开始在中学实验室逐渐普及。某同学用电流传感器和电压传感器做“观察电容器的充、放电现象”实验，电路如图甲所示。

（1）先使开关K与1端相连，电源向电容器充电，这个过程很快完成，充满电的电容器上极板带______电；
（2）然后把开关K掷向2端，电容器通过电阻放电，传感器将电流电压信息传入计算机，经处理后得到电流和电压随时间变化的、曲线，如图乙所示；
（3）由图乙可知，电容器充满电的电荷量为______，电容器的电容为______；（保留两位有效数字）
（4）若将电路中的电阻换成一阻值更大的电阻，把开关K掷向2端电容器放电，请在图乙的左图中定性地画出曲线。（ ）
【参考答案】 ①. 正 ②. （均可） ③. （均可） ④.
【名师解析】
（1）[1] 电容器上极板与电源正极相连，充满电后上极板带正电；
（3）[2]图像与坐标轴围成面积表示电量，一小格的电量为

图中总共约14小格，所以电容器充满电的电荷量为

[3] 电容器充满电后电压为8V，则电容器电容为

（4）[4] 将电路中的电阻换成一阻值更大的电阻，放电电流会减小，电量不变，时间会延长，图像如下图所示。

8. （2023湖南衡阳二模）在“用传感器观察电容器的充放电过程”实验中，按图甲所示连接电路。电源电动势为，内阻可以忽略。单刀双掷开关先跟2相接，某时刻开关改接1，一段时间后，把开关再改接2，实验中使用了电流传感器来采集电流随时间的变化情况。

（1）开关改接2后，电容器进行的是______（选填“充电”或“放电”）过程，此过程中流经电阻上的电流方向______（选填“自上而下”或“自下而上”）。实验得到的图像如图乙所示，如果不改变电路其他参数，只减小电阻的阻值，则此过程的曲线与坐标轴所围成的面积将______（选填“减小”“不变”或“增大”）。
（2）若实验中测得该电容器在整个放电过程中释放的电荷量，则该电容器的电容为______μF。
【参考答案】 ①. 放电 ②. 由下到上 ③. 不变 ④.
【名师解析】
（1）[1]当开关接2时，电容器相当于电源，进行是放电过程；
[2]开关接1时，电源给电容器充电，电容器上极板接正极，充电完成，上极板带正电，下极板带负电，可知开关接2时，电容器相当于电源，上极板相当于电源的正极，故电流由下到上；
[3]曲线与坐标轴所围成的面积为电容器充电完成后所带电荷量，只减小电阻，并不能改变电容器的充好电时的电荷量，故此过程的曲线与坐标轴所围成的面积将不变。
（2）[4]根据电容器电容的定义
解得μF
9. (2023浙江名校新高考研究联盟第一次联考)某兴趣小组利用图1所示的电路，把开关掷向a对给定电容值为C的电容器充电。R表示接入的电阻，E表示电源（忽略内阻）。通过改变电路中元件的参数对同一电容器进行两次充电，得到i－t图后经过计算机软件处理得到如图所示的q－t曲线如图2中①②所示。

（1）根据q－t图像以下判断正确的是（ ）
A．①②两条曲线不同是E的改变造成的
B．①②两条曲线不同是R的改变造成的
C．需要对电容器快速充电时，R越小越好
D．需要对电容器快速充电时，R越大越好
（2）小明同学利用图3和图4的电路图连接电路，分别完成了“测量电源电动势和内阻”和“测量某一段长度已知的电阻丝的电阻率”两个实验，两个电路使用同一电源。
①图5是该同学根据实验测得的数据在同一坐标轴上同时作出两个实验的U－I图像，下列说法正确的是（ ）

A．图3中电压表的内阻对实验结果无影响；
B．图4中电压表的内阻对实验结果无影响；
C．图5可知，电源的电动势为1.49V，内阻为2.5Ω；
D．在测量的电阻时，若将滑动变阻器移到最右端，消耗的功率约为0.60W
②如图6，用螺旋测微器测得该电阻丝的直径d＝______mm，根据实验所选的电表量程，电压表的示数U＝______V。

【参考答案】 (1)BC (2) ①. BD ②.. 0.495 0.80
【名师解析】（１）由Ｉ＝△q/t可知q－t曲线斜率表示电流，所以①②两条曲线不同是由于电流不同造成的，即①②两条曲线不同是R的改变造成的，选项B正确A错误；需要对电容器快速充电时，其充电电流越大越快，，即R越小越好，选项C正确D错误。
（2）①图3中电压表的内阻对实验结果有影响，图4中电压表的内阻对实验结果无影响，选项A错误B正确；由图5可知，电源的电动势为1.49V，内阻为Ω=0.55Ω；选项C错误；由实验的U－I图像可知，Rx的阻值为Rx=U/I=3.2Ω，在测量的电阻时，若将滑动变阻器移到最右端，对应的电流为0.45A，消耗的功率约为P=I2Rx=0.60W，选项D正确。②..根据螺旋测微器读数规则，测得该电阻丝的直径d＝ 0.495mm；由于电源的电动势为1.49V，实验所选的电表量程为3V，根据电压表读数规则，电压表的示数U =0.80V。
10.（2022南京三模） (15分)某课外兴趣小组用如图甲所示的电路观察电解电容器的充、放电现象，并测量电容器的电容．

(1) 粗略观察充放电的电流大小和方向时，应选择表头为________(选填“乙”或“丙”)图的电流表．


(2) 放电时，甲图中流经电阻R的电流________(选填“向左”或“向右”).
(3) 为了能测量电容，将甲图中电流表换成电流传感器测量电流．请根据电路图，连接图丁中的实物图．
(4) 电容器放电过程中，电流随时间变化的规律如图戊所示，计算机可以得出i--t图像所围的区域面积为0.869 mA·s.已知电阻R为500 Ω，直流电源电压恒为2 V，则该电容器电容为________μF(结果保留三位有效数字).

(5) 仅将R为500 Ω的电阻改为1 000 Ω，电流传感器内阻不计，重新观察电容放电曲线，请在原i——t图像中大致画出电阻为1 000 Ω的放电曲线．
【参考答案】. (1) 乙(3分)　(2) 向右(3分)　(3) 如图丁所示(3分)　

(4) 435(3分)　(5) 大致图形如图所示(3分)
　
【名师解析】（1）乙图电表可以测量正反向电流，而丙图电表只能测量正向电流。由于刚开始观察充放电的电流大小和方向时，应选择可以测量正反向电流表头乙图电表。
（2）充电时电容左侧接的是电源正极，左极板带正电荷，因此放电时，甲图中流经电阻R的电流方向向右。
（3）根据电路图连接实物电路连接图。
（4）根据Q=It可知i--t图像所围的区域面积为通过的电荷量，所以Q=0.869mA=8.69×10-4C。
因此 C=Q/U=435μF
（5）仅将R为500Ω的电阻改为1000Ω，其它器件参数不变，且电流传感器内阻不计时，则t=0时放电电流减小为原来的1/2，但i--t图像所围的区域面积不变，因此电阻为1 000 Ω的放电曲线如图。