第9章　静电场 第5讲　实验10：观察电容器的充、放电现象--2027全国版高考物理第一轮(含答案)

2027全国版高考物理第一轮
第5讲　实验10:观察电容器的充、放电现象
1.(8分)(2025山西朔州模拟)某实验小组利用如图甲所示电路研究电容器充、放电规律。操作步骤如下:
(1)按图甲连接好电路。开关S接1,对电容器进行充电,充电电流方向为　　　　(选填“逆时针”或“顺时针”);充电过程中用电流传感器记录了充电电流随时间的变化关系如图乙所示,已知电源电动势为12.0 V,内阻可忽略不计,测得I-t曲线与横轴围成的面积为3.6 A·s,则电容器的电容C=　　　　 F。
(2)采用图甲电路,若不改变其他参数,只增大电阻R0的值,则充电时间会　　　　(选填“变长”“变短”或“不变”)。
(3)仍采用图甲所示电路进行研究,若将电压传感器换成电压表重新进行实验,则测出电容器的电容　　　　(选填“大于”“小于”或“等于”)真实值。
2.(10分)(2026辽宁名校联盟高三检测)某实验小组利用电流传感器观察电容器充、放电的电流变化。电路图如图甲所示,其中电源电动势E=3.0 V、内阻不计,定值电阻R1=2 kΩ,定值电阻R2=5 kΩ,
电流传感器内阻忽略不计。
(1)初始时电容器所带电荷量为0,当单刀双掷开关既不接1,也不接2时,电容器上极板的电势为　　　　。
(2)将单刀双掷开关先接1,电容器充电,当电容器充满电后,再将单刀双掷开关接到2,电容器放电,放电过程中经过R2的电流方向为　　　(选填“a→b”或“b→a”);电脑通过电流传感器记录整个过程中的电流变化情况如图乙所示,I-t图像中I2的大小为 　　　　mA;已知I-t图像中电流I随时间t变化的关系图线与坐标轴围成的面积均为0.06 mA·s,则该实验使用的电容器电容为C=　　　　 F。
3.(8分)(2025重庆沙坪坝高三期中)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　　　　;
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,可以计算得到此电容器的电容为　　　　 μF(计算结果保留3位有效数字);
丙
(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中实线所示。若保持电容器参数不变,将滑动变阻器的滑片向右移动少许,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“①”“②”“③”或“④”)。
4.(14分)(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,设计的电路如图甲所示。实验器材有:学生电源(9 V,内阻可忽略)、2个相同的电容器(耐压值15 V,电容3 000 μF)、灵敏电流表A(指针居中,内阻不计)、电流传感器(内阻不计)、电阻箱(0~9 999 Ω)、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乙所示位置,单刀双掷开关S接1,一段时间后电容器充电完成,再将S接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已知灵敏电流表电流从左端流入时指针向左偏转,观察到灵敏电流表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的变化情况如图丙所示。图丙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,减小电阻箱的阻值,则放电时间　　　　(选填“变长”“变短”或“不变”)。
5.(10分)(2024重庆卷)探究电容器充、放电规律,实验电路图如图甲所示。实验器材有电源E,定值电阻R0,电容器C,单刀双掷开关S,导线若干。
(1)为测量电容器充、放电过程电压U和电流I的变化,需在①②处接入测量仪器,位置②应该接入测　　　　(选填“电流”或“电压”)仪器。
(2)连接电路并接通开关,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　　　　(选填“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消耗的功率为　　　　 W。
答案：
1.答案 (1)逆时针　0.3　(2)变长　(3)大于
解析 (1)由题图甲可知,开关S接1,对电容器进行充电,充电电流方向为逆时针;根据q=It可知,I-t曲线与横轴围成的面积表示充完电后电容器所带的电荷量,则电容器的电容C= F=0.3 F。
(2)采用题图甲电路,若不改变其他参数,只增大电阻R0的值,则充电电流减小,充电时间会变长。
(3)仍采用题图甲所示电路进行研究,若将电压传感器换成电压表重新进行实验,由于电压表有一定的电流通过,所以电流传感器的电流大于通过电容器的电流,则I-t曲线与横轴围成的面积大于充完电后电容器所带的电荷量,根据C=可知,测出电容器的电容大于真实值。
2.答案 (1)0　(2) a→b　0.6　2×10-5
解析 (1)电容器所带电荷量为0,所以两极板之间的电势差为0,下极板接地,故电容器上极板的电势为0。
(2)由电路图可知,电容器充满电后,上极板带正电,故电容器放电时流过电阻R2的电流方向为a→b。电容器充满电,两极板间的电压等于电源电动势3 V,故开始放电瞬间,流过电阻R2的电流大小为I2==0.6 mA,根据电容的定义式可知,C= F=2×10-5 F。
3.答案 (1)BC　(2)20.4　(3)③
解析 (1)充电电压不变,要进一步增大电荷量,根据C=,解得Q=CU,则需要增大电容。结合电容器的电容C=,减小平行板电容器两极板间距和在两极板间插入玻璃板均可以使电容增大。故选B、C。
(2)I-t图像与t轴所围面积表示放电的电荷量,数出一共159小格,则有Q=1.59×10-4 C,此电容器的电容C= F=20.4 μF。
(3)滑动变阻器的滑片向右移动少许,总电阻减小,则开始放电时电流更大,但放电电荷量不变,所以i-t图像与t轴所围面积应保持不变,所以图像可能为题图丙中的虚线③。
4.答案 (1)①1 800　②b→a　③D　(2)5　5.4×10-2　(3)变短
解析 (1)①由题图乙可知电阻箱接入电路的阻值为
R=(1×1 000+8×100+0×10+0×1) Ω=1 800 Ω。
②由电路图可知,充电后电容器右极板带正电,左极板带负电,则放电过程流过电流传感器的电流方向为b→a。
③已知灵敏电流表电流从左端流入时指针向左偏转,则开关S接2时,电容器进行放电,灵敏电流表电流从右端流入;刚开始由于电容器极板电压最大,所以放电电流最大,随着电容器所带电荷量逐渐减少,电容器极板电压逐渐减小,则放电电流逐渐减小到0;可观察到灵敏电流表A指针偏转情况是迅速偏到右边并慢慢回到正中。故选D。
(2)电容器充完电后极板间的电压为Um=9 V,由于两电容器为并联关系,所以放电时相当于两相同电源并联,电动势为Um=9 V,则题图丙中图线与纵轴的交点坐标为Im= A=5 mA,根据q=It可知,图线与横轴所围的面积等于两电容器充完电所带的总电荷量,则有S=Q总=2CU=2×3 000×10-6×9 C=5.4×10-2 C。
(3)若电容器充满电后,减小电阻箱的阻值,放电电流与原来相比增大,则放电时间变短。
5.答案 (1)电压　(2)0　(3)放电　0.32
解析 (1)位置②与电容器并联,为测电压仪器。
(2)电压表示数最大时,电容器充电完毕,充电电流为0,电流表示数为0。
(3)电容器充电时,电容器两端电压U=E-IR0;放电时电容器两端电压U=IR。题图乙中=k为定值,结合电路,将图像逆向分析,此为放电过程,k=R0,故该过程为电容器放电过程。由题图丙可知t=0.2 s时,电容器两端电压为U=8 V,由题图乙可知当U=8 V时,电流I=40 mA,则电阻R0消耗的功率P=UI=8×40×10-3 W=0.32 W。
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