人教版新高考物理一轮总复习--实验9　观察电容器的充、放电现象课件PPT

这是一份人教版新高考物理一轮总复习--实验9　观察电容器的充、放电现象课件PPT，共33页。PPT课件主要包含了内容索引，必备知识落实，实验能力形成，巩固提升检测，从右向左，2×10-4，6×104，8×10-5，×102，0×10-3等内容，欢迎下载使用。

一、实验目的1.通过传感器结合计算机观察电容器的充、放电现象。2.掌握应用计算机及传感器采集数据信息。二、实验原理电流传感器采用霍尔元件测量电路中的电流及其变化规律,并借助计算机将电流及其变化规律显现出来。因此可以将电流传感器与计算机相连,在几秒钟时间内画出电流随时间变化的图像。
实验电路设计如图所示。
三、实验器材电流传感器、电子计算机、定值电阻R、直流稳压电源、耐压10 V以上电容50 μF的电解电容器、单刀双掷开关、单刀开关、导线、8 V电源等。
四、实验步骤1.观察电容器充电现象(1)按照观察电容器充电的电路图连接好电路。(2)闭合开关,给电容器充电。(3)根据传感器传递给电子计算机的电流信息,通过计算机中的软件将传感器收集的信息拟合成I-t图像,仔细观察I-t图像,可以分析出电容器充电时电流随时间变化的规律(如图所示)。
2.观察电容器放电现象(1)按照观察电容器放电的电路图连接好电路。(2)先将开关S扳向1,给电容器充电完毕后,将开关扳向2,电容器将通过电阻R放电。(3)根据传感器传递给电子计算机的放电电流信息,通过计算机中的软件将传感器收集的信息拟合成I-t图像,仔细观察I-t图像,可以分析出电容器放电时电流随时间变化的规律(如图所示)。
五、实验数据处理若实验电路中直流电源电压为8 V。1.在图中画出一个如图所示竖立的狭长矩形(Δt很小),它的面积的物理意义表示在Δt时间内通过电流传感器的电荷量。整个图像与横轴所围的面积的物理意义是整个充电或放电时间内通过电流传感器的电荷量,也等于充满电后或放电开始时电容器极板上的电荷量。
【例1】 小明同学想根据学习的知识,估测一个电容器的电容。他从实验室找到8 V的稳压直流电源、单刀双掷开关、电流传感器(与电脑相连,能描绘出电流I随时间t变化的图线)、定值电阻和导线若干,连成如图甲所示的电路。实验过程如下,完成相应的填空。
(1)先使开关S与1端相连,电源给电容器充电(充满)。(2)开关S掷向2端,电容器放电,此时电路中有短暂的电流。流过电阻R的电流方向为________________________(选填“从右向左”或“从左向右”)。(3)传感器将电流信息传入计算机,屏幕上显示出的电流随时间变化的I-t曲线如图乙所示。(4)根据图像估算出电容器在全部放电过程中释放的电荷量为C。(5)根据前面的信息估算出该电容器的电容为____________ F。(结果保留2位有效数字) 
【例2】 图甲是一种测量电容器电容的实验电路图,实验是通过对高阻值电阻放电,用电流传感器记录电流随时间变化的图线,进而测出电容器充电至电压U时所带电荷量Q,从而再求出待测电容器的电容C的大小。某同学在一次实验时的情况如下:A.如图所示电路图接好电路;
B.接通开关S,调节电阻箱R的阻值,记下此时电流传感器的示数I0=500 μA,电压表的示数U0=8.0 V,I0、U0分别是电容器放电时的初始电流和电压;C.断开开关S,利用计算机和电流传感器,记录下电流随时间变化的关系,结果如图所示。
(1)实验中电阻箱所接入阻值为R=____________ Ω。 (2)由上述i-t图像求出该电容器的放电总电荷量为________________ C (结果保留2位有效数字)。 (3)该电容器电容为___________________ F(结果保留2位有效数字)。 
【例3】 某课外兴趣小组设计了一个测定电容器电容的实验方案,其实验原理如图甲所示,E为电池组、C为待测电容器、G为电流表(可测微弱电流)、R'为滑动变阻器、R是定值电阻、V是电压表、S'和S为开关。实验步骤如下:
按图连接电路;A.闭合S',调节滑动变阻器,使电压表示数为某确定值;B.闭合S,给电容器充电,当电容器两端电压稳定时,记下此时的电压表读数UC及电流表示数iC;C.断开S和S',同时开始计时,每隔5 s读取并记录一次电流值,直到电流为零;D.以放电电流为纵坐标、放电时间为横坐标,作出iC-t图像;E.改变UC的值,重复上述步骤(除A以外);F.整理器材。
(1)S'、S闭合前滑动变阻器滑片应调到____________(选填“a”或“b”)端。(2)闭合S后电压表示数的变化应该是___________(选填“变大”或“变小”)。(3)现有本实验可供选择的待测电容器C1(约0.6×103 pF)、C2(约0.6×102 μF)、C3(约1×103 μF)和定值电阻R1(50 Ω)、R2(1 000 Ω)、R3(10 kΩ),为保证足够的放电时间,电容器应该选____________,定值电阻应该选____________(填代号)。 (4)图乙是本次实验当UC=2.5 V时描出的iC-t图像,由图可求得所测电容器电容C=____________ μF(保留1位有效数字)。 
解析:(1)由题图可知,滑动变阻器是分压式接法,因此S'、S闭合前滑动变阻器滑片应调到a处,使得所测电路的电压为零,从而确保安全。(2)闭合S后,接入电阻与滑动变阻器并联,导致总电阻减小,则总电流增大,那么电压表两端的电压会变小。(3)因大电容的电容器在相同电压下储存电荷量多,放电回路电阻大的放电电流小,有利于保证足够的放电时间,故选C3和R3。(4)由iC-t图像可知,Q=29×5×10×10-6 C=1.45×10-3 C;
1.下图为某同学利用传感器研究电容器放电过程的实验电路,实验时先使开关S与1端相连,电源向电容器充电;待电路稳定后把开关S掷向2端,电容器通过电阻放电。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曲线,这个曲线的横坐标是放电时间,纵坐标是放电电流。若其他条件不变,只将电阻R换为阻值更大的定值电阻,现用虚线表示电阻值变大后的I-t曲线,则下列四个图像可能正确的是( )
解析:I-t图线与坐标轴所围图形的面积表示经过导体的电荷量,即电容器上所带电荷量。当把电阻R换成阻值更大的电阻时,因为电容器两板间电压不变,所以刚开始放电时通过电阻的电流变小,又因为电容器所带电荷量不变,即图线与坐标轴所围图形的面积不变,所以放电时间变长。则t=0时刻的电流变小,面积不变,故C正确。
2.(2020·北京房山区二模)利用高电阻放电法研究电容器的充放电实验,是利用高阻值电阻延长充放电时间,绘制电容器充放电电流与时间的i-t图像来研究电容器的充放电规律。
某同学先按图甲所示电路连接好实验电路,然后继续实验操作如下。(1)先接通开关S1、S2,调节电阻箱R的阻值,使微安表的指针偏转接近满刻度,记下这时微安表的示数i0=500 μA、电压表的示数U0=6.0 V,此时电阻箱R的阻值为8.5 kΩ,则微安表的内阻为____________ kΩ。 (2)断开开关S2,同时开始计时,每隔5 s或10 s读一次电流i的值,将测得数据填入预先设计的表格中,根据表格中的数据在坐标纸上标出以时间t为横坐标、电流i为纵坐标的点,如图乙中用“×”表示的点。请在图乙中描绘出电流随时间变化的图线。
(3)根据图线估算出该电容器在整个放电过程中放出的电荷量Q0约为____________ C(结果保留2位有效数字)。 (4)根据公式____________来计算电容器的电容。(只要求写出表达式,不要求计算结果) 
3.用下列器材测量电容器的电容:一块多用电表,一台直流稳压电源,一个待测电容器(额定电压16 V),定值电阻R1=100 Ω,定值电阻R2=150 Ω,电流传感器、数据采集器和计算机,单刀双掷开关S,导线若干。实验过程如下。
(1)第1次实验中,电阻R1两端的最大电压U=____________ V。利用计算机软件测得i-t曲线和两坐标轴所围的面积为90 mA·s,已知电容器放电时其内阻可以忽略不计,则电容器的电容为C=____________ F。 (2)第2次实验中,电流随时间变化的i-t曲线应该是图丙中的虚线________ (选填“b”“c”或“d”),判断依据是__________________________________。
两次放电电荷量相等,图线与坐标轴围成的面积相等,另由于R2>R1,所以开关掷向2瞬间放电电流较小