2025届高三物理一轮复习精品课件第八章静电场第3讲实验十观察电容器的充、放电现象电容器的动态分析

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1.了解电容器的充电、放电过程，会定量计算电容器充、放电的电荷量。 2.掌握电容的定义式和平行板电容器的决定式，会分析电容器动态变化问题。
2.观察电容器的充、放电现象
思考判断1.电容器所带的电荷量是指每个极板所带电荷量的代数和。( )2.电容器的电容与电容器所带电荷量成反比。( )3.放电后的电容器电荷量为零，电容也为零。( )
考点二　平行板电容器的动态分析
考点一　实验十：观察电容器的充、放电现象
角度　　电容器充、放电现象的定性分析
例1 (2022·北京卷，9)利用如图1所示电路观察电容器的充、放电现象，其中E为电源，R为定值电阻，C为电容器，A为电流表，V为电压表。下列说法正确的是(　　)A.充电过程中，电流表的示数逐渐增大后趋于稳定B.充电过程中，电压表的示数迅速增大后趋于稳定C.放电过程中，电流表的示数均匀减小至零D.放电过程中，电压表的示数均匀减小至零
解析　充电过程中，随着电容器C两极板电荷量的积累，电路中的电流逐渐减小，电容器充电结束后，电流表示数为零，A错误；充电过程中，随着电容器C两极板电荷量的积累，电压表测量电容器两端的电压，电容器两端的电压迅速增大，电容器充电结束后，最后趋于稳定，B正确；电容器放电过程的I－t图像如图所示，可知电流表和电压表的示数不是均匀减小至0的，C、D错误。
例2 (2023·山东卷，14)电容储能已经在电动汽车，风、光发电，脉冲电源等方面得到广泛应用。某同学设计图2甲所示电路，探究不同电压下电容器的充、放电过程，器材如下：电容器C(额定电压10 V，电容标识不清)；电源E(电动势12 V，内阻不计)；电阻箱R1(阻值0～99 999.9 Ω)；滑动变阻器R2(最大阻值20 Ω，额定电流2 A)；电压表V(量程15 V，内阻很大)；发光二极管D1、D2，开关S1、S2，电流传感器，计算机，导线若干。
角度　　电容器充、放电现象的定量计算
回答以下问题：(1)按照图甲连接电路，闭合开关S1，若要升高电容器充电电压，滑动变阻器滑片应向________端滑动(选填“a”或“b”)。解析　滑动变阻器采用分压式接法，要升高电容器充电电压，滑动变阻器滑片应向b端滑动。答案　b　
(2)调节滑动变阻器滑片位置，电压表表盘如图乙所示，示数为________V(保留1位小数)。
解析　电压表量程15 V，每个小格0.5 V，故读数为6.5 V。答案　6.5　
(3)继续调节滑动变阻器滑片位置，电压表示数为8.0 V时，开关S2掷向1，得到电容器充电过程的I－t图像，如图丙所示。借鉴“用油膜法估测油酸分子的大小”实验中估算油膜面积的方法，根据图像可估算出充电结束后，电容器存储的电荷量为____________C(结果保留2位有效数字)。
解析　I－t图像所围的面积等于电容器存储的电荷量，37个小格，故电容器存储的电荷量为Q＝37×0.2×10－3×0.5 C＝3.7×10－3 C。答案　3.7×10－3　
(4)本电路中所使用电容器的电容约为______F(结果保留2位有效数字)。
C＝4.6×10－4 F。答案　4.6×10－4　
(5)电容器充电后，将开关S2掷向2，发光二极管________(选填“D1”或“D2”)闪光。解析　开关S2掷向2，电容器放电，放电电流方向为从左向右，故D1闪光。答案　D1
在“用传感器观察电容器的充、放电过程”实验中，按图3甲所示连接电路。电源电动势为6.0 V，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)开关S改接2后，电容器进行的是________(选填“充电”或“放电”)过程。此过程得到的I－t图像如图乙所示。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I－t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Q＝3.45×10－3 C，则该电容器的电容为________μF。
(3)关于电容器在整个充、放电过程中的q－t图像和UAB－t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，UAB为A、B两板的电势差)。
答案　(1)放电　不变　(2)575　(3)BD解析　(1)开关S改接2后，电容器进行的是放电过程；因I－t图像与坐标轴所围成的面积等于电容器的带电荷量，则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I－t曲线与坐标轴所围成的面积将不变。
两类典型问题1.电容器始终与恒压电源相连，电容器两极板间的电势差U保持不变。2.电容器充电后与电源断开，电容器两极板所带的电荷量Q保持不变。
例3 (2024·重庆市渝北中学高三校考)如图4所示是一种可测量物体位移的电学仪器。当被测物体在左右方向发生微小的位移时，会带动电介质进出电容器两板之间，灵敏电流计的指针也会左右发生偏转。已知电流从a到b流过电表时，电流计的指针向右偏，则下列说法正确的是(　　)
角度　　两板间电势差U保持不变
A.当电流计的指针向左偏时，被测物体向左移动B.当电流计的指针向左偏时，电容器的电压增大C.当电流计的指针向右偏时，电容器的电容增大D.当电流计的指针向右偏时，电容器的电荷量减小
例4 某学校气象兴趣小组的同学利用所学物理知识设计了一个电容式风力传感器。如图5所示，将电容器与静电计组成回路，可动电极在风力作用下向右移动，引起电容的变化，风力越大，移动距离越大(两电极不接触)。若极板上电荷量保持不变，在受到风力作用时，则(　　)A.电容器电容变小B.极板间电场强度不变C.极板间电压变大D.静电计指针张角越小，风力越小
角度　　两板间电荷量不变
思路点拨　动态分析的思路
例5 (2024·安徽高三校联考)某同学学习了电容器的充、放电等相关知识后，在老师的引导下，他为了探究电路中连接二极管的电容器充、放电问题，设计了如图6所示的电路，平行板电容器与二极管(该二极管可看作理想二极管，正向电阻很小，反向电阻无穷大)、开关、直流电源串联，电源负极接地。闭合开关，电路稳定后，一不计重力的带电油滴位于竖直平面电容器两极板间的P点处，恰好处于静止状态。保持开关闭合，下列说法正确的是(　　)
角度　　含二极管的动态分析
A.若上极板略微下移，带电油滴仍保持静止B.若下极板略微上移，则P点电势保持不变C.若上极板略微左移与下极板平行错开，则带电油滴仍保持静止D.若下极板略微右移与上极板平行错开，则带电油滴在P点的电势能降低
对点练1　观察电容器的充、放电现象1.在如图1所示实验中，关于平行板电容器的充、放电，下列说法正确的是(　　)A.开关接1时，平行板电容器充电，且上极板带正电B.开关接1时，平行板电容器充电，且上极板带负电C.开关接2时，平行板电容器充电，且上极板带正电D.开关接2时，平行板电容器充电，且上极板带负电
解析　开关接1时，平行板电容器充电，上极板与电源正极相连而带正电，A正确，B错误；开关接2时，平行板电容器放电，放电结束后上、下极板均不带电，C、D错误。
2.(多选)电流传感器反应非常灵敏，与计算机相连接，能立即描绘出电流随时间变化的图像。如图2甲所示，在观察充电、放电现象的实验中，电源用直流8 V，电容器的电容是几十微法。先使开关S掷向1端，电源向电容器充电，这个过程瞬间完成。然后把开关S掷向2，电容器通过电阻R放电，电流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曲线如图乙所示。下列说法正确的是(　　)
A.S接1时，电容器充电，带电荷量Q增加，板间电压U增大，板间场强E减小B.S接2时，电容器放电，带电荷量Q减少，板间电压U减小，板间场强E减小C.在I－t图中图线与横轴所围的面积表示电荷量D.根据以上数据和信息不能估算出电容的大小
3.(2024·浙江杭州模拟)心室纤颤是一种可危及生命的疾病。如图3为一种叫作心脏除颤器的设备，某型号AED模拟治疗仪器的电容器电容是25 μF，充电至8 kV电压，如果电容器在2 ms时间内完成放电，则(　　)A.电容器放电过程中平均功率为800 kWB.电容器的击穿电压为8 kVC.电容器放电过程中电容越来越小D.电容器放电过程中电流最大值一定大于100 A
对点练2　平行板电容器的动态分析4.(2024·广东惠州高三开学考)如图4所示，平行板电容器水平放置，电容器中一带电油滴恰好静止。现将电容器下极板稍向下移动，下列选项正确的是(　　)A.油滴仍保持静止B.油滴向上做匀速直线运动C.油滴向上做匀加速直线运动D.油滴向下做匀加速直线运动
5.(2024·广东梅州模拟)图示5为某电容传声器结构示意图，当人对着传声器讲话，膜片会振动。若某次膜片振动时，膜片与极板距离减小，则在此过程中(　　)A.膜片与极板间的电容减小B.极板所带电量减小C.膜片与极板间的电场强度增大D.电阻R中有向上的电流
6.如图6所示，一对面积较大的平行板电容器AB水平放置，A板带正电荷，B板接地，P为两板中点，再使A、B分别以中心点O、O′为轴在竖直平面内转过一个相同的小角度θ，下列结论正确的是(　　)A.电容器AB的电容不变B.两板间电场强度变大C.两板间的P点电势增大D.两板间的P点电势降低
7.(多选)通过手机内电容式加速度传感器可以实现运动步数的测量，传感器原理如图7所示，电容器的M极板固定，当手机的加速度变化时，与弹簧相连的N极板只能按图中标识的“前后”方向运动，图中R为定值电阻。下列对传感器描述正确的是(　　)
A.静止时，电流表示数为零，电容器M极板带负电B.由静止突然向前加速时，电容器的电容减小C.由静止突然向前加速时，电流由b向a流过电流表D.保持向前匀减速运动时，电阻R以恒定功率发热
8.某同学利用图8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I－t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RB.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5×10－3 C
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q＝It可知，I－t图像中曲线与横轴围成的面积即电容器充电结束时所带电荷量，若R增大，总电荷量q不变，则对电流阻碍作用增大，即电流减小，故放电时间会变长，故C错误； I－t图像中格数割补后约为1.3格，则电荷量约为q≈2×10－3×2×1.3 C≈5.2×10－3 C，故D正确。
9.如图9所示，平行板电容器与电动势为E的直流电源(不计内阻)连接，下极板接地，开关S初始闭合，一带电油滴位于电容器中的P点且恰好处于平衡状态，下列说法正确的是(　　)
A.油滴带正电荷B.将上极板向上移动一小段距离，电容器的电容减小C.上极板向左平移一小段距离，油滴向上运动D.断开开关S，将上极板向下平移一小段距离，P点电势升高
A.材料温度升高，极板所带电荷量增大B.滑动变阻器滑片向下滑动少许可以提高检测仪的工作电压C.检测到灵敏电流计的电流方向为从a到b，说明材料温度降低D.检测结束，断开开关，灵敏电流计上有从a到b的短暂电流
11.(2023·新课标卷，22)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。(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11(a)所示。先将电阻箱的阻值调为R1，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R2(R2＞R1)，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”)。
答案　(1)正极　(2)C　(3)R2　电荷量解析　(1)在使用多用电表时，应保证电流从红表笔流入，黑表笔流出，即“红进黑出”，因此红表笔应该与电池的正极接触。
(2)S与“1”端相接时，小灯泡不发光，电容器充电；S与“2”端相接时，电容器放电，且放电电流逐渐变小，直至为0，故C正确，A、B错误。