【江苏专版】32　第七章　实验九　观察电容器的充电、放电现象 课件《高考快车道》2026高考物理一轮总复习

(共37张PPT)
第七章　静电场
实验九　观察电容器的充电、放电现象
实验储备·一览清
实验类型·全突破
类型1　 实验电路设计与器材选取
充电时电流从电源正极流出，放电时电容器相当于电源，电流从电容器正极流出。
[典例1]　(实验电路设计与器材选取)(2024·海南卷)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)。
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＝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)。
B
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，此时电路相当于断路，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的电流方向为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内的放电量为Q1＝ΔU·C＝(12.3 V－1.10×10-3 A×R)C，2 s后到放电结束时间内的放电量为Q2＝ΔU′·C＝1.10×10-3 A·RC，根据题意＝，解得R≈5.2 kΩ。
类型2　 实验数据处理与分析
电容器充放电的电流不是恒定的，是变化的，电荷量的计算需利用i-t图线，i-t曲线与坐标轴围成面积表示对应的电荷量，大于半格的算一格，小于半格的不算。
[典例2]　(实验数据处理与分析)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。某同学设计如图甲所示电路，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。
回答以下问题：
(1)按照如图甲所示连接电路，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______(选填“a”或“b”)端滑动。
(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)。
b
6.5　
(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______(选填“D1”或“D2”)闪光。
3.7×10-3
D1
[解析]　(1)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)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)题图丙中图线与坐标轴所围图形的面积有37格，则Q＝37× C＝3.7×10-3 C。
(4)由Q＝CU，得C＝ F≈4.6×10-4 F。
(5)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，又由于二极管具有单向导电性，故D1闪光。
[典例3]　(实验器材创新)(2024·广西卷)某同学为探究电容器充、放电过程，设计了图甲所示实验电路。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)。
(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。
15.0　
2
(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)。
4.7×103　
5.2
[解析]　(1)采样周期为T＝＝ s。
(2)由题图乙可知开关S1闭合瞬间流经电阻R1的电流为15.0 mA。
(3)放电结束后电容器两极板间电压等于R2两端电压，根据闭合电路欧姆定律得电容器两极板间电压为UC＝·R2＝2 V。
(4)充电结束后电容器两端电压为U′C＝E＝6 V，故可得ΔQ＝(U′C－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U″C，得(U′C－U″C)C＝0.003 8 C，代入数值解得U″C≈5.2 V。
实验针对训练(九)　观察电容器的充电、放电现象
1．(实验电路设计与器材选取)某同学用传感器观察电容器的放电过程，实验操作如下：
(1)本实验的电路如图甲所示，
请在图乙中用笔画线代替导线
连接实物图(传感器正常工作时
电流从红鳄鱼夹流入，从黑鳄
鱼夹流出)。
见解析图
(2)为校验电阻箱阻值，在电路断开的情况下该同学用电阻表“×1 k”挡测量了电阻箱的阻值，测量结果如图丁所示，则电表读数为________Ω。
60 000
(3)已知蓄电池的电动势为6 V，内阻不计，实验结束后描绘的电容器放电i-t图像如图丙所示，根据图像求得该电容器的电容大小约为________ F(保留2位有效数字)。
4.6×10-4
[解析]　(1)实物图如下。
(2)电表读数为
60.0×1 000 Ω＝60 000 Ω。
(3)根据公式Q＝It可知题图丙图线与坐标轴围成的面积为整个放电过程中释放的电量，题图丙中一个小方格对应的电荷量为
Q0＝10×10-6×5 C＝5×10-5 C
故整个放电过程释放的电荷量为
Q＝55Q0＝55×5×10-5 C＝2.75×10-3 C
可得该电容器的电容大小为
C＝＝＝≈4.6×10-4 F。
2．(实验数据处理与分析)利用DIS电流传感器可以测量电容器的电容。让充电后的电容器通过大电阻R放电，电流传感器A与计算机连接，记录放电电流I随时间t变化的图像，图像与坐标轴围成的面积数值上等于电容器的带电量Q(可用DIS系统软件计算)，Q与充电电压U的比值即为电容器的电容C。
(1)图甲、图乙为放电法测量电容的两种电路原理图，先把开关S与1端相连，充电结束后，读出电压表的示数。然后把开关掷向2端，记录I-t图像，测量出电容器的带电量Q。在甲、乙两图中，实验系统误差较大的是______(选填“甲”或“乙”)，原因是___________对实验的影响，使电容测量值______(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。
乙
电压表分流
偏小
(2)DIS系统软件记录的放电电流I随时间t变化的图像可能是______。
A　　　　　　　　B
C　　　　　　　　D
C
(3)某同学选择了正确的实验电路图，经过实验操作获得了多组数据，如表所示：
1 2 3 4 5 6
U/V 10.8 13.7 16.8 20.0 23.8 27.0
Q/×10-4 C 0.92 1.20 1.22 1.70 2.08 2.41
请根据以上数据，在图丙中作出Q-U图像，由图像可得该电容器的电容是________________ μF(结果保留2位有效数字)。
见解析图
8.9(8.6～9.0均可)
(4)该同学是通过滑动变阻器来改变电容器的充电电压的，请结合上述电路原理图，在下面的方框内作出能改变电容器充电电压的电路原理图。
见解析图
(5)该同学在完成电容的测量实验后，把一多用表的选择开关调到电阻挡，正确调零后把红黑表笔同时与电容器的两极接触，请你描述接触后多用表指针的偏转情况________________________________ _______________。
多用表指针先快速偏大角度，后逐
渐回到原位置
[解析]　(1)在甲、乙两图中，实验系统误差较大的是乙，原因是电容器放电时电压表分流对实验有影响，使电容器放电量值偏小，则电容测量值偏小。
(2)电容器放电时，放电电流逐渐减小，且逐渐变慢，则DIS系统软件记录的放电电流I随时间t变化的图像可能是C。
(3)作出Q-U图像如图
根据C＝可知
C＝＝ F≈8.9 μF。
(4)能改变电容器充电电压的电路原理图如图。
(5)两表笔与电容器接触后，电容器先有较大的充电电流，然后逐渐减小，则多用表指针的偏转情况是：多用表指针先快速偏大角度，后逐渐回到原位置。
谢 谢 ！