新教材高考物理一轮复习第8章静电场实验10观察电容器的充放电现象课件

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一、实验目的1.理解电容器的储能特性及其在电路中能量的转换规律。2.电容器充、放电过程中,电路中的电流和电容器两端电压的变化规律。
二、实验思路1.电容器充电:电源使电容器的两极板带上等量异种电荷的过程,如图甲所示。2.电容器放电: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,如图乙所示。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。
三、实验过程1.电容器的充电开关S合向1,电容器充电。(1)现象①小灯泡开始较亮,逐渐变暗,直至熄灭。②A1的读数由大变小。③V的读数变大。④最后A1的大小等于0,V的大小等于电源电压。
(2)解释电源正极向极板供给正电荷,负极向极板供给负电荷。电荷在电路中定向移动形成电流,两极板间有电压。S刚合上时,电源与电容器之间存在较大的电压,使大量电荷从电源移向电容器极板,产生较大电流,随着极板电荷的增加,极板间电压增大,电流减小。当电容器两极板间电压等于电源电压时,电荷不再定向移动,电流为0,灯不亮。
2.电容器的放电开关S合向2,电容器放电。(1)现象①小灯泡开始较亮,逐渐变暗,直至熄灭。②A2的读数开始较大,逐渐变小,电流方向与充电方向相反,直至为0。③开始V的读数为电源电压,逐渐减小,直至为0。(2)解释放电过程中,由于电容器两极板间的电压使回路中有电流产生。开始这个电压较大,因此电流较大,随着电容器极板上的正、负电荷的中和,极板间的电压逐渐减小,电流也减小,最后放电结束,极板间不存在电压,电流为0。
四、分析与论证当电容器极板上所储存的电荷发生变化时,电路中就有电流流过;若电容器极板上所储存的电荷量恒定不变时,则电路中就没有电流流过。电路中的平均电流为I= 。
旁栏边角 人教版教材必修第三册P39阅读“拓展学习”——用传感器观察电容器的放电过程,完成下面题目。
图甲是观察电容器的充、放电现象的实验装置。电源输出电压恒为8 V,S是单刀双掷开关,G为灵敏电流计,C为平行板电容器。(1)当开关S接　　　　(选填“1”或“2”)时,平行板电容器放电,流经G表的电流方向与充电时　　　　(选填“相同”或“相反”)。 (2)将G表换成电流传感器,电容器充电完毕后再放电,其放电电流随时间变化的图像如图乙所示,已知图像与坐标轴所围的面积约为40个方格,可算出电容器的电容为　　　　F。 
答案 (1)2　相反　(2)4×10-4解析 (1)当开关S接2时,平行板电容器放电,流经G表的电流方向与充电时相反。(2)由图像与坐标轴所围的面积约为40个方格,可算出电容器的电荷量为Q=40×0.2×10-3×0.4 C=3.2×10-3 C
典例1.(2023北京市海淀区高三期末)某同学用电流传感器和电压传感器研究电容器的放电情况,按如图所示连接电路,实验时,先将开关S与1端相连,待电路稳定后,将开关掷向2端,传感器将信息传入计算机,屏幕上可以显示出电流、电压随时间变化的i-t图像、u-t图像。
(1)由图可知,传感器2应为　　　　(选填“电流”或“电压”)传感器。 
(2)计算机屏幕上显示的i-t图像可能为下图中的　　　　,u-t图像可能为下图中的　　　　。 (3)结合屏幕显示的i-t图像、u-t图像信息,可以估算出　　　　。 A.电容器的电容B.电容器储存的电荷量
答案 (1)电压　(2)B　D　(3)AB解析 (1)传感器2与电阻R并联,应为电压传感器。
典例2.(2023山东省实验中学模拟)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。使用图甲所示电路观察电容器的充、放电过程。电路中的电流传感器与计算机相连,可以显示电路中电流随时间的变化关系,图甲中直流电源电动势E=8 V,实验前电容器不带电,先使S与1端相连给电容器充电,充电结束后,使S与2端相连,直至放电完毕,计算机记录的电流随时间变化的i-t曲线如图乙所示。
(1)图乙中阴影部分的面积S1　　　　(选填“>”“<”或“=”)S2。 (2)计算机测得S1=1 203 mA·s,则该电容器的电容为　　　　 F。(保留两位有效数字) (3)由甲、乙两图可判断阻值R1　　　　(选填“>”“<”或“=”)R2。 
答案 (1)=　(2)0.15　(3)<解析 (1)题图乙中阴影面积S1和S2分别表示充电和放电中电容器上的总电荷量,所以两者相等。(2)由阴影面积代表电容器上的电荷量得q=S1=1.203 C,U=E=8 V,
1.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,t=0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I-t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)图乙中,阴影部分的面积S1　　　　　(选填“>”“<”或“=”)S2。 (3)图丙为电压恒为8 V的电源给电容器充电时作出的电流随时间变化的I-t图像,电容器充电完毕后的电荷量为　　　　 C,电容器的电容为　　　 F。(计算结果均保留两位有效数字) 
答案 (1)由a到b　(2)=　(3)8.0×10-3　1.0×10-3解析 (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极板,故流过电阻R的电流方向为由a到b。
q=It,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S1=S2。
2.某学习小组利用高电阻放电法研究电容器的充、放电,实验是利用高阻值电阻延长充、放电时间,绘制电容器充、放电电流与时间的i-t图像来研究电容器的充、放电规律。某同学先按图甲连接好实验电路。然后继续实验操作如下:
(1)先接通开关S1、S2,调节电阻箱R的阻值,当微安表的示数不变时记下电压表的示数U0=6.0 V;(2)断开开关S2,同时开始计时,每隔5 s或10 s读一次电流i的值,将测得数据填入预先设计的表格中,根据表格中的数据在坐标纸上标出以时间t为横坐标、电流i为纵坐标的点,如图乙中用“×”表示的点。请在图乙中描绘出电流随时间变化的图线;(3)根据图线估算出该电容器在整个放电过程中放出的电荷量Q0约为　　　　 C;(结果保留两位有效数字) (4)根据公式　　　　来计算电容器的电容。(用题中所给字母写出表达式)
答案 (2)见解析　(3)7.5×10-3(7.0×10-3~8.0×10-3均可)　(4)解析 (2)描绘出电流随时间变化的图线如图所示。(3)i-t图像与坐标轴围成的面积等于电荷量,则该电容器在整个放电过程中放出的电荷量Q0=30×5×50×10-6 C=7.5×10-3 C。(4)根据公式 来计算电容器的电容。
3.小陈同学用如图甲所示的电路做观察电容器的充、放电现象的实验。(1)他所用的学生电源如图乙所示。在连接时应接　　　　(选填“A”或“B”)组接线柱。 
(2)接好电路,学生电源电压调节选“10 V”,然后给电容器充分充电,再观察电容器的放电,得到电容器放电电流I随时间t的变化曲线如图丙所示,根据该图,可知他所选用的电容器最可能是下列的　　　　(选填“A”“B”或“C”)。