新高考物理一轮复习考点讲义第9章第46课时　实验十：观察电容器的充、放电现象（含答案）

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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 电子而带 电，负极板因 电子而带 电。正、负极板带 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 (填“大”或“小”)，以后随着极板上电荷的增多，电流逐渐 (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 ，在电子移动过程中，形成电流。放电开始电流较 (填“大”或“小”)，随着两极板上的电荷量逐渐减少，电路中的电流逐渐 (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和开关连通，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2和开关连通，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面积表示电荷量的变化，故整个图线与横轴所围的面积就是整个充电或放电时间内通过灵敏电流表的电荷量，也等于电容器的充电电荷量或放电电荷量。
(2)估算电容器的充电电荷量或放电电荷量的方法：先算出一个小方格代表的电荷量，然后数出整个图线与横轴所围的面积中的方格数(大于半格的按一个方格计算，小于半格的舍弃)。电容器的充电电荷量或放电电荷量等于一个小方格代表的电荷量乘以方格数。
4.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。
例1 (2024·重庆卷·12)探究电容器充放电规律，实验装置如图甲所示，有电源E，定值电阻R0，电容器C，单刀双掷开关S。
(1)为测量电容器充放电过程电压U和电流I变化，需在①、②处接入测量仪器，位置②应该接入测 (填“电流”或“电压”)仪器。
(2)接通电路并接通开关，当电压表示数最大时，电流表示数为 。
(3)根据测得的数据，某过程中电容器两端电压U与电流I的关系图如图乙所示。该过程为 (填“充电”或“放电”)。放电过程中电容器两端电压U随时间t变化关系如图丙所示。0.2 s时R0消耗的功率 W。
例2 (2024·山东济宁市校考)某同学用如图甲所示电路研究电容器的充放电规律，直流电源的电动势为6 V。
(1)将单刀双掷开关合向“1”，电流传感器记录电容器充电电流随时间变化规律如图乙所示，则图乙中图线与坐标轴所围的面积的物理意义为 。
(2)充电结束时电容器两端的电压为U＝ V，结合图像面积可知，电容器的电容为C＝ F(结果保留两位有效数字)。
(3)将单刀双掷开关合向“2”，得到放电电流随时间变化的图像，从图像上得到放电电流的最大值为I1，图线与坐标轴所围的面积为S1；将R调大，将开关合向“1”后再合向“2”，再次得到的放电电流随时间变化的图像，从图像上得到放电电流的最大值为I2，图线与坐标轴所围的面积为S2。则I1 I2，S1 S2(均选填“>”“ ＝
解析 (1)根据Q＝It可知，I－t图线与坐标轴所围的面积的物理意义为充电后电容器的带电荷量。
(2)充电结束时电容器两端的电压等于电源两端电压，为U＝6 V，I－t图线与坐标轴所围的格数为43个，则充电后电容器的带电荷量为Q＝43×0.2×10－3×0.4 C＝3.44×10－3 C，则电容器的电容C＝QU≈5.7×10－4 F。
(3)根据Im＝UR可知，R变大，则放电电流的最大值减小，则有I1>I2，R变大，两次充电电荷量相等，因此图线与坐标轴所围面积相等，即S1＝S2。
例3 (1)B (2)a→b 5.2
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，此时电路相当于开路，电流为0。故选B。
(2)根据电路图可知充电结束后电容器上极板带正电，将S1接2，电容器放电，此时通过定值电阻R的电流方向a→b；
t＝2 s时I＝1.10 mA，可知此时电容器两端的电压为U2＝IR，电容器开始放电前两端电压为12.3 V，根据I－t图像与横轴围成的面积表示放电量可得0~2 s间的放电量为
Q1＝ΔU·C＝(12.3－1.10×10－3×R)C
2 s后到放电结束间放电量为
Q2＝ΔU'·C＝1.10×10－3·RC
根据题意Q1Q2＝87，解得R≈5.2 kΩ