2026高考一轮总复习 物理课件_实验十　观察电容器的充、放电现象_含解析

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1. 实验原理（1）电容器的充电过程如图所示，当开关S接1时，电容器接通电源，在静电力的作用下自由电子 从正极板经过电源向负极板移动，正极板因失去电子而带正电，负极板因 获得电子而带负电。正、负极板带等量的正、负电荷，电荷在移动的过程 中形成电流。
在充电开始时电流比较 （选填“大”或“小”），以后随着极板上 电荷的增多，电流逐渐 （选填“增大”或“减小”），当电容器 两极板间电压等于电源电压时电荷停止定向移动，电流I＝0。
（2）电容器的放电过程
如图所示，当开关S接2时，相当于将电容器的两极板直接用导线连接起 来，电容器正、负极板上电荷发生中和，在电子移动过程中，形成电流。放电开始电流较 （选填“大”或“小”），随着两极板上的电荷量 逐渐减小，电路中的电流逐渐 （选填“增大”或“减小”），两 极板间的电压也逐渐减小到零。
2. 实验步骤（1）按图连接好电路。
（2）把单刀双掷开关S打在上面，使触点1和触点2连通，观察电容器的充 电现象，并将结果记录在表格中。（3）将单刀双掷开关S打在下面，使触点3和触点2连通，观察电容器的放 电现象，并将结果记录在表格中。（4）记录好实验结果，关闭电源。
3. 实验数据处理（1）在I-t图像中，图线与时间轴围成的 ⁠表示整个充电或放电时间 内通过电流表的电荷量，也等于充满电后或放电开始时电容器极板上 的 ⁠。
（2）估算电容器充电或放电过程中电荷量的方法：先算出一个小方格代 表的 ，然后数出整个图像与横轴所围的面积中的方格数（大于 半个的按一个方格计算，小于半个的舍弃）。电容器 ⁠过程 中电荷量为一个小方格代表的电荷量乘以方格数。
（1）电流表要选用小量程的 ⁠。
（2）要选择大容量的电容器。
（3）实验过程要在 的环境中进行。
（4）在做放电实验时，在电路中应 一个电阻，避免烧坏电流 表。
（2024·海南高考15题）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）
解析： 闭合开关S2，S1接1后，电路中的电流瞬间达到最大值，然后 电源给电容器充电，电压表的示数逐渐增大，电路中的电流逐渐减小，当 电压表示数稳定后，电路中的电流减为0，即电流表的示数先增大，后逐 渐减小为0，B正确。
（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的电流方向为 （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2位有效数字）。
解析： 闭合开关S2，S1接1时，电源正极与电容器上极板相连，则电 容器上极板带正电，因此S1接2时，电容器放电过程通过R的电流方向为 a→b，根据I-t图像与坐标轴围成图形的面积表示电荷量可知，0～2 s过程 电容器放出的电荷量Q1与2 s后至放电结束过程电容器放出的电荷量Q2之比 为8∶7，根据电容的定义式可知，Q1＝CΔU1，Q2＝CΔU2，由电路图可知 ΔU1＝U0－IR，ΔU2＝IR，代入数据解得R≈5.2 kΩ。
（2024·广西高考12题）某同学为探究电容器充、放电过程，设计 了图甲实验电路。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3位有效数字）；
解析： 由图乙可知开关S1闭合瞬间流经电阻R1的电流为15.0 mA。
（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2位有效 数字）。
解析： 充电结束后电容器两端电压为UC'＝E＝6 V，故可得ΔQ＝ （UC'－UC）C＝0.018 8 C
解得C＝4.7×103 μF设t＝1 s时电容器两极板间电压为UC″，得（UC'－UC″）C＝0.003 8 C代入数值解得UC″≈5.2 V。
（2023·山东高考14题）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。
（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（填“a”或“b”）。
解析： 题图甲中滑动变阻器为分压式接法，滑动变阻器滑片左端的部分与电容器并联，要升高电容器两端的电压，滑动变阻器的滑片应向b端移动。
（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1位小数）。
解析： 电压表量程为15 V，分度值为0.5 V，则电压表示数为6.5 V。
（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）。
（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）。
（5）电容器充电后，将开关S2掷向2，发光二极管 （填“D1”或 “D2”）闪光。
解析： 电容器充电后，左板电势高，电容器放电时电流由左板经导 线流出，故D1闪光。
创新分析1. 实验目的创新：以“电容储能”为情境探究不同电压下电容器的充、放 电过程的特点。2. 实验原理创新（1）利用分压式控制电路控制电容器的充电电压。（2）利用了二极管的单向导电性。
3. 数据处理创新：根据I-t图像中图线与坐标轴所围图形的面积计算电容器 存储的电荷量。
1. （2025·河北邯郸模拟）用高值电阻放电法测电容的实验电路图如图甲 所示。其原理是测出电容器在充电电压为U时所带的电荷量Q，从而求出其 电容C。该实验的操作步骤如下：
（1）按电路图接好实验电路；
（2）接通开关S，调节电阻箱R的阻值，使微安表的指针接近满刻度。记 下这时的电压表读数U0＝6.2 V和微安表读数I0＝490 μA；
（3）断开开关S并同时开始计时，每隔5 s或10 s读一次微安表的读数I，将 读数记录在预先设计的表格中；
（4）以t为横坐标，I为纵坐标，建立坐标系。若由实验得到的数据，在图 乙中描出了12个点（用“×”表示），可以估算出当电容器两端电压为U0 时，该电容器所带的电荷量Q0约为 ⁠ C，从而算出该电容器的电容约为 F。（结果均保 留2位有效数字）
8.0×10－3（7.8×10－3～8.3×10－3
2. （2024·浙江1月选考16－Ⅱ题）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 ⁠。
解析： 把开关S接1，电容器充电，电流从右向左流过微安表，微安 表指针迅速向右偏转后示数逐渐减小到零；把开关S接2，电容器放电，电 流从左向右流过微安表，则微安表指针迅速向左偏转后示数逐渐减小。故 选C。
（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2位有效数字）。
3. （2023·新课标卷22题）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。
解析： 在使用多用电表时，应保证电流从红表笔流入，从黑表笔流 出，即“红进黑出”，因此红表笔应该与电池的正极接触。
（2）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 。（填正确答案标号）
解析： 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，且放电过程电流逐渐变小，直至为0，故C正确， A、B错误。
（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”）。
4. （2025·山东潍坊二模）电流传感器可以捕捉到瞬间的电流变化，它与 计算机相连，可以显示出电流随时间变化的I-t图像。按如图甲所示的电路 图连接电路。直流电源电动势为9 V，内阻可忽略，电容器选用电容较大的 电解电容器。先使开关S与1端相连，电源向电容器充电；然后把开关S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）在如图乙所示的I-t图像中用阴影标记面积的物理意义是 ⁠ ⁠。
解析： 题图乙中1～3.4 s的I-t图线是充电电流随时间变化的规律，又 I-t图线与t轴所围的面积表示电荷量，则题图乙中阴影部分面积的物理意义 是通电0.2 s充入电容器（或流过电阻R）的电荷量。
通电0.2 s
电容器增加的电荷量（或流过电阻R的电荷量）　
（2）根据I-t图像估算当电容器开始放电时所带的电荷量q0＝ ⁠ ，并计算电容器的电容C＝ ⁠ 。（均保留2位有效数字）
1.8×10－3
C（1.7×10－3 C也正确）　
2.0×10－4 F
（1.9×10－4 F也正确）　
（3）如果不改变电路其他参数，只减小电阻R，充电时I-t曲线与横轴所围 成的面积将 （选填“增大”“不变”或“变小”）；充电时间 将 （选填“变长”“不变”或“变短”），简要说明原因： ⁠ ⁠。
5. 如图为“观察电容器的充、放电现象”的实验。实验器材：电源E（电 动势9.50 V，内阻可忽略）、电容器C（标称电容值为470 μF，击穿电压 为10 V）、电阻箱R、微安表G、单刀
（1）按照如图甲所示的电路图，把图乙中的器材连接成完整的实验电路。
双掷开关S和导线若干。完成下列实 验的相关内容：
解析： 按照如图甲所示的电路图，连接实物图如图。
（2）实验步骤如下：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；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；③断开开关S，查阅视频，记录0～160 s内，微安表G的读数随时间变化的 数据；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I-t 图 像，如图丙。
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图丙中，I-t图像与横轴所包围的面积为82格，则可求得该电容器的电容 为 μF 。（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12 μA，出现这种现象的原因是电容器 （选填“短路”或“漏电”）。
解析：步骤①中，微安表G的读数稳定时，并不为0，始终保持在12 μA，出现这种现象的原因是电容器漏电。
6. （2025·安徽蚌埠模拟）在“用传感器观察电容器的充放电过程”的实验中，按图1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。
解析： 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，此过程的I-t曲线与坐标轴所围成的面积将不变。
（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。