高考物理【一轮复习】讲义49　第八章　实验探究课十　观察电容器的充、放电现象课件PPT

这是一份高考物理【一轮复习】讲义49　第八章　实验探究课十　观察电容器的充、放电现象课件PPT，共58页。PPT课件主要包含了实验储备·一览清，实验类型·全突破，自右向左，a→b，7×103，见解析，实验对点训练十，电荷量，3×10-3，2×104等内容，欢迎下载使用。
[学习目标]　1．知道电容器的基本构造，了解电容器的充电、放电过程中电流和电压的变化。2．会分析充、放电过程中电荷量变化及能量变化情况。
类型1　教材原型实验[典例1]　某探究小组利用如图所示电路观察电容器的充、放电现象，其中E为电源(内阻不计)，R为定值电阻，C为电容器，A为电流表，V为电压表。
(1)给电容器充电后，为了观察放电现象，单刀双掷开关S应拨至________(选填“1”或“2”)位置。放电过程中，R中电流方向____________(选填“自左向右”或“自右向左”)；观察到电压表的示数逐渐变小，说明电容器的带电荷量逐渐________(选填“增加”或“减少”)。
(2)关于充电过程，下列说法正确的是________。A．电流表的示数逐渐增大后趋于稳定B．电压表的示数逐渐增大后趋于稳定C．充电完毕，电流表的示数为零D．充电完毕，电压表的示数为零
[典例2]　(2024·海南卷)用如图(a)所示的电路观察电容器的充、放电现象，实验器材有电源E、电容器C、电压表、电流表、电流传感器、计算机、定值电阻R、单刀双掷开关S1、开关S2、导线若干。
(1)闭合开关S2，将S1接1，电压表示数增大，最后稳定在12.3 V。在此过程中，电流表的示数______(填选项标号)。A．一直稳定在某一数值B．先增大，后逐渐减小为零C．先增大，后稳定在某一非零数值
(2)先后断开开关S2、S1，将电流表更换成电流传感器，再将S1接2，此时通过定值电阻R的电流方向________(选填“a→b”或“b→a”)，通过传感器将电流信息传入计算机，画出电流随时间变化的I-t图像，如图(b)，t＝2 s时I＝1.10 mA，图中M、N区域面积比为8∶7，可求出R＝__________kΩ(保留两位有效数字)。
[解析]　(1)电容器充电过程中，当电路刚接通后，电流表示数从0增大到某一最大值，后随着电容器的不断充电，电路中的充电电流在减小，当充电结束电路稳定后，此时电路相当于断路，电流为0。故选B。
类型2　拓展创新实验[典例3]　(2024·广西卷)某同学为探究电容器充、放电过程，设计了图甲所示实验电路。器材如下：电容器，电源E(电动势6 V，内阻不计)，电阻R1＝400.0 Ω， 电阻R2＝200.0 Ω，电流传感器，开关S1、S2，导线若干。实验步骤如下：
(1)断开S1、S2，将电流传感器正极与a节点相连，其数据采样频率为5 000 Hz，则采样周期为________s。(2)闭合S1，电容器开始充电，直至充电结束，得到充电过程的I-t曲线如图乙，由图乙可知开关S1闭合瞬间流经电阻R1的电流为________mA(结果保留三位有效数字)。
(3)保持S1闭合，再闭合S2，电容器开始放电，直至放电结束，则放电结束后电容器两极板间电压为________V。(4)实验得到放电过程的I-t曲线如图丙，I-t曲线与坐标轴所围面积对应电容器释放的电荷量为 0.018 8 C, 则电容器的电容C为________ μF。图丙中I-t曲线与横坐标、直线t＝1 s所围面积对应电容器释放的电荷量为0.003 8 C，则t＝1 s时电容器两极板间电压为________V(结果保留两位有效数字)。
创新点解读　本题的创新之处在于应用电流传感器结合计算机模拟信号分析电流的变化规律代替通过记录电流表读数变化列表画图分析数据。
[典例4]　在测定电容器电容值的实验中，将电容器、电压传感器、阻值为3 kΩ的电阻R、电源、单刀双掷开关按如图甲所示电路图进行连接。先使开关S与1端相连，电源向电容器充电，充电完毕后把开关S掷向2端，电容器放电，直至放电完毕。实验得到的与电压传感器相连接的计算机所记录的电压随时间变化的u-t曲线如图乙所示，图丙为由计算机对图乙进行数据处理后记录了“峰值”及曲线与时间轴所围“面积”的图。
(1)根据如图甲所示的电路，观察图乙可知：充电电流与放电电流方向________(选填“相同”或“相反”)，大小都随时间______(选填“增加”或“减小”)。(2)当开关接“1”时，是________(选填“充电”或“放电”)，上极板带________(选填“正”或“负”)电。
(3)某同学认为：仍利用上述装置，将电压传感器从电阻两端改接在电容器的两端，也可以测出电容器的电容值。请你分析并说明该同学的说法是否正确：____________
创新点解读　本题的创新之处在于由观察电容器的充放电拓展为应用电压传感器结合计算机模拟信号测量电容器的电容。
1．(2024·浙江1月选考)在“观察电容器的充、放电现象”实验中，把电阻箱R(0～9 999 Ω)、一节干电池、微安表(量程0～300 μA，零刻度在中间位置)、电容器C(2 200 μF、16 V)、单刀双掷开关组装成如图1所示的实验电路。
(1)把开关S接1，微安表指针迅速向右偏转后示数逐渐减小到零；然后把开关S接2，微安表指针偏转情况是________。A．迅速向右偏转后示数逐渐减小B．向右偏转示数逐渐增大C．迅速向左偏转后示数逐渐减小D．向左偏转示数逐渐增大
(2)再把电压表并联在电容器两端，同时观察电容器充电时电流和电压变化情况。把开关S接1，微安表指针迅速向右偏转后示数逐渐减小到160 μA时保持不变；电压表示数由零逐渐增大，指针偏转到如图2所示位置时保持不变，则电压表示数为______ V，电压表的阻值为________ kΩ(计算结果保留两位有效数字)。
2．(2023·新课标卷)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________(选填“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________。(选填正确答案标号)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________(选填“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________(选填“电压”或“电荷量”)。
3．在某次“观察电容器的充、放电现象”实验中，实验器材主要有电源、理想电压表V、两个理想电流表A1和A2、被测电容器C、滑动变阻器R、两个开关S1和S2以及导线若干。实验主要步骤如下：①按图甲连接好电路。②断开开关S2，闭合开关S1，让电池组给电容器充电，当电容器充满电后，读出并记录电压表的示数U，然后断开开关S1。
③断开开关S1后，闭合开关S2，每间隔5 s读取并记录一次电流表A2的电流值I2，直到电流消失。④以放电电流I2为纵坐标，放电时间t为横坐标，在坐标纸上作出I2-t图像。
(1)在电容器的充电过程中，电容器两极板上的电荷量逐渐________(选填“增大”或“减小”)，电流表A1的示数逐渐________(选填“增大”或“减小”)。(2)由I2-t图像可知，充电结束时电容器储存的电荷量Q＝________C。(结果保留两位有效数字)
(3)若步骤②中电压表的示数U＝2.95 V，则滑动变阻器接入电路部分的阻值R＝________Ω。(结果保留两位有效数字)(4)类比直线运动中由v-t图像求位移的方法，当电容为C的电容器两板间电压为U时，电容器所储存的电能Ep＝________(请用带有U、C的表达式表示)。
[解析]　(1)在电容器的充电过程中，电容器两极板上的电荷量逐渐增大；随着时间的推移充电电流越来越小，即电流表A1的示数逐渐减小。(2)根据q＝It可得图像与横轴所围的面积表示电荷量，每一个小格表示电荷量为q＝25×10-6×5 C＝1.25×10-4 C，可知电容器储存的电荷量为Q＝26×1.25×10-4 C≈3.3×10-3 C。
4．(2025·安徽安庆模拟)利用放电法可以测量电容器的电容，让充电后的电容器通过大电阻R放电，电流传感器A与计算机连接(未画出)，记录放电电流随时间变化的图像，可用系统软件计算出电容器的带电荷量Q，Q与充电电压U的比值即为电容器的电容C。(1)实验开始前先判断电容器的好坏：使用多用电表的电阻挡进行测量，把调零后的多用电表的红、黑表笔分别接触电容器的两极板，观察到多用电表指针先向右偏转较大角度，后又逐渐返回到起始位置，此现象说明电容器是________(选填“好”或“坏”)的。
(2)图甲、图乙为测量电容的两种电路原理图，学生电源应采用________(选填“直流”或“交流”)电源，先使开关S与1端相连，充电结束后，读出电压表的示数；然后把开关S与2端相连，测量出电容器的带电荷量Q，为了减小误差，在甲、乙两图中，应选________图为测量电路。
(3)某同学选择了正确的实验电路图，经过实验操作获得如表所示的多组数据，其中第4组数据的Q未记录，但计算机显示了这次测量的I-t图像如图丙所示，由此可估算出Q＝_______________________________________ C请根据以上数据，在图丁中作出Q-U图像，并由图像可得该电容器的电容是_______________________________________ F(结果均保留两位小数)。
1.60×10-3(1.56×10-3～1.68×
7.86×10-5(7.70×10-5～8.10×10-5均正
[解析]　(1)使用多用电表的电阻挡进行测量，多用电表内有电源，先对电容器充电，有充电电流，会观察到多用电表指针向右偏转较大角度；随着电容器逐渐充满电，充电电流逐渐减小，最终电容器相当于断路状态，指针又逐渐返回到起始位置，此现象说明电容器是好的。(2)学生电源应采用直流电源，因为电容器可以通过交流电，其电压不断变化，没法得出稳定的电压，故选直流电源。当把开关S与2端相连时，电容器放电，题图甲的所有电荷均通过电流传感器，测量准确，题图乙中还有一部分电荷通过电压表，这部分电荷测不出来，故选题图甲。
(3)由ΔQ＝IΔt知电荷量为I-t图像与坐标横轴所围的面积，即面积为电容器在开始放电时所带的电荷量，由图像可知“面积”格数约为40格(39～42格均正确)，每小格相当于4×10-5 C，所以电容器电压为U＝20.2 V时，电荷量Q＝40×4×10-5 C＝1.60×10-3 C(1.56×10-3～1.68×10-3 C均正确)
由表格数据描点作图，如图所示，
5．(2023·山东卷)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。某同学设计如图甲所示电路，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。
回答以下问题：(1)按照如图甲所示连接电路，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________(选填“a”或“b”)端滑动。(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(保留一位小数)。
(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(结果保留两位有效数字)。
(4)本电路中所使用电容器的电容约为__________F(结果保留两位有效数字)。(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。