2018-2019学年高中物理人教版（京津琼鲁专用）选修3-1教师用书：第一章+静电场+8+第2课时+Word版含答案

第2课时　实验：观察电容器的充、放电
1.实验原理
(1)电容器的充电过程
如图1所示，当开关S接1时，电容器接通电源，在电场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移动，电流I＝0 .
图1
(2)电容器的放电过程
如图2所示，当开关S接2时，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小，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.
图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
2.实验步骤
(1)按图3连接好电路.
图3
(2)把单刀双掷开关S打在上面，使触点1和触点2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3和触点2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.
实验记录和分析：
实验项目
实验现象
电容器充电
灯泡
灯泡的亮度由明到暗最后熄灭(选填“明”“暗”或“熄灭”)
电流表1
电流表1的读数由大到小最后为零(选填“大”“小”或“零”)
电压表
电压表的读数由小(选填“大”或“小”)到大(选填“大”或“小”)最后为6 V
电容器放电
灯泡
灯泡的亮度由明到暗最后熄灭(选填“明”“暗”或“熄灭”)
电流表2
电流表2的读数由大到小最后为零(选填“大”“小”或“零”)
电压表
电压表的读数由大(选填“大”或“小”)到小(选填“大”或“小”)最后为0 V
3.注意事项
(1)电流表要选用小量程的灵敏电流计.
(2)要选择大容量的电容器.
(3)实验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，以免烧坏电流表.
一、电容器充、放电现象的定性分析
例1　如图4所示实验中，关于平行板电容器的充、放电，下列说法正确的是(　　)
图4
A.开关接1时，平行板电容器充电，且上极板带正电
B.开关接1时，平行板电容器充电，且上极板带负电
C.开关接2时，平行板电容器充电，且上极板带正电
D.开头接2时，平行板电容器充电，且上极板带负电
答案　A
解析　开关接1时，平行板电容器充电，上极板与电源正极相连而带正电，A对，B错；开关接2时，平行板电容器放电，放电结束后上、下极板均不带电，C、D错.
二、电容器充、放电现象的定量计算
例2　电流传感器可以像电流表一样测量电流，不同的是反应比较灵敏，且可以和计算机相连，能画出电流与时间的变化图象.图5甲是用电流传感器观察充、放电过程的实验电路图，图中电源电压为6 V.
图5
先使开关S与1接通，待充电完成后，把开关S再与2接通，电容器通过电阻放电，电流传感器将电流信息传入计算机，显示出电流随时间变化的I－t图象如图乙所示.根据图象估算出电容器全部放电过程中释放的电荷量为 C，该电容器电容为 μF.
答案　3.04×10－3　507
解析　根据题图乙的含义，因Q＝It，可知图形与时间轴围成的面积表示电荷量；根据横轴与纵轴的数据可知，一个格子的电荷量为8×10－5 C，由大于半格算一个，小于半格舍去，因此图象所包含的格子个数为38，所以释放的电荷量为q＝8×10－5 C×38＝3.04×10－3 C.根据电容器的电容C＝可知，C＝ F≈5.07×10－4 F＝507 μF.
1.(多选)关于电容器的充、放电，下列说法中正确的是(　　)
A.充、放电过程中外电路有瞬间电流
B.充、放电过程中外电路有恒定电流
C.充电过程中电源提供的电能全部转化为内能
D.放电过程中电容器中的电场能逐渐减少
答案　AD
解析　电容器充、放电过程中会有电荷发生定向移动，电路产生变化的瞬间电流，电容器充、放电结束，电流消失，A对，B错；充电过程中电源提供的电能部分转化为电容器的电场能，C错；放电过程中电容器中的电场能转化为其他形式的能，D对.
2.据国外某媒体报道，科学家发明了一种新型超级电容器，能让手机几分钟内充满电.某同学假日登山途中，用该种电容器给手机电池充电，下列说法正确的是(　　)
A.该电容器给手机电池充电时，电容器的电容变大
B.该电容器给手机电池充电时，电容器存储的电能变少
C.该电容器给手机电池充电时，电容器所带的电荷量可能不变
D.充电结束后，电容器不带电，电容器的电容为零
答案　B
解析　电容是描述电容器容纳电荷的本领大小的物理量，与电容器的电压及电荷量无关，故A、D错误；当该电容器给手机电池充电时，电容器存储的电荷量减小，则电能变少，故B正确，C错误.
3.电流传感器可以把电容器放电电流随时间变化规律描绘出来.一个电容器先把它接到8 V的电源上充电，然后通过电流传感器放电，其电流随时间变化图象如图6所示.由图象和坐标轴所围的面积知道电容器放电前所带的电荷量，已知如图所围的面积约为40个方格，由图可算出电容器的电容为 F.
图6
答案　4×10－4
解析　根据Q＝It以及图象的含义可知，图象与时间轴所围成的面积表示电荷量，则可知：电荷量q＝40×0.2×10－3×0.4 C＝3.2×10－3 C，电容器的电容c＝＝4×10－4 F.