第48讲　实验十　观察电容器的充、放电现象——2027届高三物理一轮复习讲义（含答案）

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1．知道电容器的构造。
2．根据电路图正确连接实物图，认真观察电容器充放电的实验现象。
二、实验原理
1．电容器的充电过程
当S接1时，电容器接通电源，电容器上极板的 自由电子 在电场力的作用下将经过电源移到与电源负极相接的下极板，正极板由于失去负电荷而带 正电 ，负极板由于获得负电荷而带 负 电，正、负极板所带电荷量大小 相等 ，符号相反，如图甲所示。电荷定向移动形成电流，由于同性电荷的排斥作用，所以开始电流最 大 ，以后逐渐减 小 ，在电荷移动过程中，电容器极板储存的电荷不断 增加 ，电容器两极板间电压U等于电源电动势E时电荷停止移动，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 大 (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 减小 (填“增大”或“减小”)，两极板间的电压也逐渐减小到零。
三、实验过程
1．实验步骤
(1)调节直流可调电源，输出为6 V，并用多用电表校准。
(2)关闭电源开关，正确连接实物图，电路图如图。
(3)打开电源，把单刀双掷开关S打到上面，使触点1和触点2连通，观察电容器的充电现象，并将结果记录在数据处理的表格中。
(4)把单刀双掷开关S打到下面，使触点3和触点2连通，观察电容器的放电现象，并将结果记录在数据处理的表格中。
(5)记录好实验结果，关闭电源。
2．数据处理
四、实验结论
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；当容器极板上所储存的电荷量恒定不变时，电路中就没有电流流过。电路中的平均电流I＝eq \f(Δq,Δt)。
五、注意事项
1．电流表要选用小量程的灵敏电流表。
2．要选择大容量的电容器。
3．实验过程中要在干燥的环境中进行。
4．在做放电实验时，在电路中串联一个电阻，避免烧坏电流表。
教材原型实验
(基础考点·自主探究)
【跟踪训练】
(电容器充、放电现象的定性分析)(2024·甘肃卷)一平行板电容器充放电电路如图所示。开关S接1，电源E给电容器C充电；开关S接2，电容器C对电阻R放电。下列说法正确的是( )
A．充电过程中，电容器两极板间电势差增加，充电电流增大
B．充电过程中，电容器的上极板带正电荷，流过电阻R的电流由M点流向N点
C．放电过程中，电容器两极板间电势差减小，放电电流减小
D．放电过程中，电容器的上极板带负电荷，流过电阻R的电流由N点流向M点
(电容器所带电荷量和电容的计算)(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0～15 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”)。
(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)。
(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。

电容器充、放电现象中的三点注意事项
(1)电容器充电时电流流向正极板，电容器放电时电流从正极板流出，且充、放电电流均逐渐减小至零。
(2)电容器充、放电过程，电容器的电容不变，极板上所带电荷量和电压按正比关系变化。
(3)电容器充、放电过程，I－t图中曲线与坐标轴围成的面积表示电容器储存的电荷量。
创新实验提升
(能力考点·深度研析)
实验仪器的改进和实验目的创新
(1)通过电流、电压传感器输出充电过程的电流、电压随时间t变化。
(2)计算电容器的电容与标称值进行对比。
(2023·福建卷)某同学用图(a)所示的电路观察矩形波频率对电容器充放电的影响。所用器材有：电源、电压传感器、电解电容器C(4.7 μF,10 V)，定值电阻R(阻值2.0 kΩ)、开关S、导线若干。
(1)电解电容器有正、负电极的区别。根据图(a)，将图(b)中的实物连线补充完整；
(2)设置电源，让电源输出图(c)所示的矩形波，该矩形波的频率为________Hz；
(3)闭合开关S，一段时间后，通过电压传感器可观测到电容器两端的电压UC随时间周期性变化，结果如图(d)所示，A、B为实验图线上的两个点。在B点时，电容器处于________状态(选填“充电”或“放电”)在________点时(选填“A”或“B”)，通过电阻R的电流更大；
(4)保持矩形波的峰值电压不变，调节其频率，测得不同频率下电容器两端的电压随时间变化的情况，并在坐标纸上作出电容器上最大电压Um与频率f关系图像，如图(e)所示。当f＝45 Hz时电容器所带电荷量的最大值Qm＝________C(结果保留两位有效数字)；
(5)根据实验结果可知，电容器在充放电过程中，其所带的最大电荷量在频率较低时基本不变，而后随着频率的增大逐渐减小。
提能训练 练案[48]
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2位有效数字)。
2．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8.0 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2所示，图中用阴影标记的狭长矩形的面积的物理意义是________________。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＝3.44×10－3 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)。
3．(2025·重庆沙坪坝联考)小南同学利用如图甲所示电路研究平行板电容器的充放电过程。实验采用学生直流稳压电源，图中S、S1、S2为开关，C为平行板电容器，R为滑动变阻器。
(1)闭合开关S、S1给电容器充电，若充电完成后，小南想进一步增大电容器所带的电荷量，可进行的操作是________(填正确选项符号)。
A．增大平行板电容器两极板间距
B．减小平行板电容器两极板间距
C．在两极板间插入玻璃板
D．减小两极板间的正对面积
(2)已知学生电源的电压U＝7.8 V，小南给电容器充满电后，先断开开关S，再闭合开关S2给电容器放电，在放电过程中，电流传感器测得电流I随时间t的变化图像如图乙所示，可以计算得到此时电容器的电容为________μF(计算结果保留三位有效数字)。
(3)在放电过程中，电流传感器测得电流随时间的变化情况，如图丙实线所示。若保持电容器参数不变，将滑动变阻器滑片向右移动少许，再次将电容器充满电，则对电容器放电时的图像可能是图丙中虚线________(选填虚线标号①、②、③或④)。
4．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(相当于电流表)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)乙图中阴影部分的面积S1________S2；(填“>”“”“