新高考物理一轮复习考点题型分类讲与练第47讲 实验10：观察电容器的充、放电现象（2份，原卷版+解析版）

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必备知识01：实验原理
必备知识02：实验器材
必备知识03：实验过程
必备知识04：数据处理
必备知识05：注意事项
二、分类精练
考点01：教材基本实验（1例+1变式）
考点02：拓展创新实验（1例+1变式）
三、巩固提升（精选6道题）
一、考点精讲
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大(填“大”或“小”)，以后随着极板上电荷的增多，电流逐渐减小(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。
放电开始电流较大(填“大”或“小”)，随着两极板上的电荷量逐渐减少，电路中的电流逐渐减小(填“增大”或“减小”)，两极板间的电压也逐渐减小到零。
2.实验器材
6 V的直流电源、单刀双掷开关、平行板电容器、电流表、电压表、小灯泡、导线若干。
3.实验过程
(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。
4.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。
5.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。
教材基本实验问题
二、精练1
【例1】（2024·重庆·高考真题）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，单刀双置开关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 （电流、电压）仪器。
(2)接通电路并接通开关使电容器充电，当电压表示数最大时，电流表示数为 。
(3)根据测到数据，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 （充电，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。0.2s时R0消耗的功率 W。
【变式1】（2024·海南·高考真题）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12.3V。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=2s时I=1.10mA，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）。
拓展创新实验问题
二、精练2
用传感器观察电容器的充、放电过程
电流传感器可以像电流表一样测量电流。不同的是，它的反应非常快，可以捕捉到瞬间的电流变化。此外，由于它与计算机相连，还能显示出电流随时间变化的I－t图像。
本实验中电源电压在8 V左右，电容器可选几十微法的电解电容器。
1．用传感器观察电容器的充电过程
按如图甲所示连接电路。先把S拨至1，并接通足够长的时间，使电容器将所带的电荷量都释放掉，从而不带电。然后把开关S掷向2端，电源向电容器充电，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电流—时间图像，如图乙。
2．用传感器观察电容器的放电过程
按如图丙所示连接电路。先使开关S与1端相连，电源向电容器充电，这个过程可在短时间内完成。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，如图丁。
3．电容器充电（或放电）的I－t图像与时间轴围成的面积表示电容器充电完毕所带的（或放电过程中全部释放的）电荷量。
电容器充、放电的快慢与电阻R和电容C的大小有关。定性分析如下：电容器充、放电的平均电流＝，而Q＝，所以R越大越小，t越长。根据Q＝CU，Q＝，C越大，充满电时的电荷量Q越大，t越长。
【例2】（2023·福建·高考真题）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（4.7μF，10V），定值电阻R（阻值2.0kΩ）、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（填“充电”或“放电”）在 点时（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=45Hz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。
【变式2】（2023·山东·高考物理）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10V，电容标识不清）；
电源E（电动势12V，内阻不计）；
电阻箱R1（阻值0～9999.9Ω）；
滑动变阻器R2（最大阻值20Ω，额定电流2A）；
电压表V（量程15V，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，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）。
(2)继续调节滑动变阻器滑片位置，电压表示数为8.0V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）。
(3)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）。
(4)电容器充电后，将开关S2掷向2，发光二极管 （填“D1”或“D2”）闪光。
巩固提升
1．（2024·浙江·高考真题）在“观察电容器的充、放电现象”实验中，把电阻箱R（0∼9999Ω）、一节干电池、微安表（量程0∼300μA，零刻度在中间位置）、电容器C（2200μF、16V）、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160μA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·高考真题）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。
（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）
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”）。
3．（2025·江苏·二模）小明将电源、电阻箱、电容器、电流表、数字电压表以及开关组装成图1所示的电路进行实验，观察电容器充电过程。实验仪器如下：电源（电压为4.5V，内阻不计）；电容器（额定电压为16V）；电流表（量程为0~500μA，内阻500Ω）；数字电压表（量程为0~10V）；电阻箱（阻值0~9999Ω）。
(1)电路连接完毕后如图2所示，为保证电表使用安全，在开关闭合前必须要完成的实验步骤是 。
(2)将开关S闭合，观察到某时刻电流表示数如图3所示，其读数为 μA。
(3)记录开关闭合后电流随时间变化的图线如图4所示，小明数出曲线下围成的格子数有225格，则电容C大小为 μF。
(4)由于数字式电压表内阻并不是无穷大，考虑到此因素的影响，（3）问中电容的测量结果与真实值相比是 （选填“偏大”、“偏小”或“相等”），请简要说明理由。
(5)开关闭合过程中，分别记录电流表和数字电压表的读数I和U，利用数据绘制I-U关系如图5所示，由图像可得出电阻箱接入电路的阻值为 Ω。
4．（2025·四川绵阳·三模）某实验小组用电流传感器观察两个并联电容器的充放电过程，设计的电路如图1所示。器材有：学生电源（9V，内阻可忽略）、2个相同的电容器（耐压值15V，电容3000μF）、灵敏电流计A（指针居中，内阻不计）、电流传感器（内阻不计）、电阻箱（0~9999Ω）、单刀双掷开关和导线若干。完成实验，并回答问题：
(1)正确连接电路后，电阻箱各个旋钮调到如图2所示位置，单刀双掷开关S掷于1，一段时间后电容器充电完成，再将S掷于2，则
①电阻箱接入电路的阻值为 Ω；
②流过电流传感器的电流方向为 （选填“a→b”或“b→a”）；
③已知灵敏电流计电流从左端流入时指针向左偏转，观察到灵敏电流计A指针偏转情况是 ； （填序号）
A．慢慢偏到左边并静止
B．迅速偏到右边并静止
C． 慢慢偏到左边并迅速回到正中
D．迅速偏到右边并慢慢回到正中
(2)电流传感器记录放电电流I随时间t的变化情况如图3所示。图中图线与纵轴的交点坐标Im为 mA，图线与横轴所围的面积为 C；
(3)若电容器充满电后，增大电阻箱的阻值，则放电时间 （选填“变长”“变短”或“不变”）。
5．（2025·山东·模拟预测）简易电容器的结构示意图如图1所示，用两片锡箔纸做电极，在两层锡箔纸中间夹以电容纸（某种绝缘介质）并一起卷成圆柱形，然后接出引线，再密封在塑料瓶中，电容器便制成了。
(1)为增加该电容器的电容，应当___________（单选）。
A．换用介电常数小的电容纸
B．让锡箔纸面积尽可能大
C．让电容器的充电时间长一些
(2)采用如图2所示的电路测量该电容器电容的大小。电流传感器可以在计算机上显示出电流随时间变化的关系图像。电源电动势E=8V，先将开关S置于a端，对电容器进行充电，电容器充满电后，再把开关S置于b端，电容器通过电阻R放电，放电电流随时间变化的I-t图像如图3所示（放电电流曲线与横轴间图形面积共包含80个小格）。电容器充满电后的带电荷量为 C，电容器的电容C= F。（结果均保留两位有效数字）
(3)若仅减小电阻R的阻值，则电容器的充电或放电时间将 （选填“不变’“延长”或“缩短”）。
6．（2025·黑龙江大庆·模拟预测）某实验小组探究电容器充、放电过程。器材如下：电容器，电源E（电动势6V，内阻不计），电阻箱R，电阻R1=400.0Ω，电阻R2=200.0Ω，电流表G，电流传感器，单刀双掷开关S、单刀单掷开关S1、S2，导线若干。
(1)一位同学设计了如图甲所示的电路，请用笔画线代替导线将图乙实物图连接完整 。
(2)另一名同学设计了如图丙所示的电路。
实验步骤如下：
①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曲线如图丁，由图丁可知开关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）；
②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；
③实验得到放电过程的I−t曲线如图戊，I−t曲线与坐标轴所围面积对应电容器释放的电荷量为0.0180C，则电容器的电容C为 μF。（结果保留2位有效数字）