高中物理第2章电势能与电势差5.1实验观察电容器的充放电学案

第1课时　实验:观察电容器的充、放电
实验必备·自主学习
一、实验目的
1.观察电容器在充电和放电过程中,两极板间电压和电路中电流的变化。
2.判断电容器在充电和放电过程中,两极板储存电荷量的变化。
二、实验器材
　电解电容器、直流电源、电流计、电压表、电阻、单刀双掷开关、导线。
三、实验原理与设计
1.实验的基本思想——
控制变量法。
2.实验原理:
(1)物理量的测量:电流和电压是无法用肉眼直接看到的,本实验借助于电流表和电压表的读数,推测电容器的充、放电。
(2)充、放电的判断方法:根据电流表的读数,判断充电、放电电路电流的流向和大小变化情况。根据电压表的读数判断电容器两极板电势差在充电、放电过程中的变化情况。
3.实验设计:
实验电路如图
所示。当开关拨到位置“1”时,电源E对电容器充电;当开关拨到位置“2”时,电容器放电。利用电流计和电压表观察电容器在充电和放电过程中,通过电路的电流大小和方向变化,以及电容器两极板间电压的变化,进而判断电容器两极板储存电荷量的变化。
实验过程·探究学习
实验过程
一、实验步骤
1.连接电路:根据实验电路图连接电路。
2.观察充电过程:将单刀双掷开关拨到位置“1”,观察电容器在充电过程中,电流计和电压表的指针偏转情况。
3.观察放电过程:将单刀双掷开关拨到位置“2”,观察电容器在放电过程中,电流计和电压表的指针偏转情况。
二、数据收集与分析
单刀双掷开关的位置
电流计指针偏转情况
电压表指针偏转情况
“1”
先变大再变小
变大
“2”
先变大再变小,且方向和充电过程相反
变小
三、实验结论
　电容器充电时,电容器两端电压增大,电荷量增加;电容器放电时,电容器两端电压减小,电荷量减小。充、放电结束后,电路中无电流。
四、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,以免烧坏电流计。
　先将S1闭合再将S2拨到位置“1”给电容器充电,然后断开S2,你会观察到什么现象?
提示:在给电容器充电时,电流计示数先变大再变小,断开S2时电流计无示数。在给电容器充电时,电压表示数变大,断开S2时电压表示数变小直到为零。
实验研析·创新学习
类型一　教材原型实验
角度1实验原理和实验操作
【典例1】如图所示实验中,关于平行板电容器的充、放电,下列说法正确的是
(　　)
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.开关接2时,平行板电容器充电,且上极板带负电
【解析】选A。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。
角度2数据处理
【典例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像。图甲是用电流传感器观察电容器充、放电过程的实验电路图,图中电源电压为6
V。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图像如图乙所示。根据图像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。(均保留三位有效数字)?
【解析】根据题图乙的含义,因Q=It,可知图线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,大于半格算一个,小于半格舍去,图像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。
答案:3.04×10-3　507
类型二　创新型实验
【典例3】发光二极管具有单向导电性,当发光二极管接正向电压时,二极管导通并发光;接反向电压时,二极管不导通也不发光。如图所示,连接电路,将开关分别拨到位置“1”和位置“2”,哪个二极管会发光?请解释观察到的现象。
【解析】开关拨到位置“1”时,发光二极管D2亮;开关拨到位置“2”时,发光二极管D1亮。
因为开关拨到位置“1”时,电容器充电;开关拨到位置“2”时,电容器放电。
答案:见解析。
【创新评价】
(1)实验器材创新:用发光二极管代替电流表。
(2)实验思路创新:用发光二极管是否发光来判断充放电电流的方向。
课堂检测·素养达标
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
【解析】选A、D。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.“探究电容器充、放电”的实验装置示意图如图所示,已知灵敏电流计0刻度在表盘中央位置,经判断:当电流从左接线柱流入时指针左偏;当电流从右接线柱流入时指针右偏。请根据所学知识回答下列问题:
(1)电容器充电结束后,将开关S扳到b放电的过程中,灵敏电流计指针会　　　　偏(选填“左”或“右”)。?
(2)将开关S扳到a,让电源给电容器充电结束后,保持开关位置不变。若将电容器中间插入一层有机玻璃板,则在插入过程中灵敏电流计指针　　　　偏(选填“左”或“右”)。?
【解析】(1)当电流从左接线柱流入时指针左偏;电流从右接线柱流入时指针右偏。
电容器充电结束后,将开关S扳到b放电的过程中,电流自左向右通过电流计,灵敏电流计指针会左偏。
(2)将开关S扳到a,让电源给电容器充电结束后,保持开关位置不变,电容器极板间电压恒定,
若将电容器中间插入一层有机玻璃板,电容增大,电量增大,电流自右向左通过电流计,灵敏电流计指针会右偏。
答案:(1)左　(2)右
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像如图所示。由图像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。?
【解析】根据Q=It以及图像的含义可知,图像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。
答案:4×10-4
【加固训练】
　　同学利用图(a)所示电路测量电容器充电时两极板间的电压随时间的变化。实验中使用的器材为:干电池E(两端电压恒定)、开关S1和S2,电容器C(约100
μF)、电阻R1(约200
kΩ)、电阻R2(1
kΩ
)、电压表(量程6
V)、秒表、导线若干。
(1)按图(a)所示的电路原理图将图(b)中的实物图连线。
(2)先闭合开关S2,再断开开关S2,闭合开关S1,同时按下秒表开始计时。若某时刻电压表的示数如图(c)所示,电压表的读数为　　　　　V(保留2位小数)。?
(3)该同学每隔10
s记录一次电压表的读数U,记录的数据如表所示。在给出的坐标纸上描绘出U-t图线。已知只有一个数据点误差较大,该数据点对应的表中的时间是　　　　　s。?
时间t/s
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
电压U/V
2.14
3.45
4.23
4.51
5.00
5.18
(4)电路中C、R2和S2构成的回路的作用是?
　。?
【解析】(1)根据原理图,实物图连线如图所示。
(2)由图(c)可知电压表的读数为3.60
V。
(3)根据U-t图线可知40.0
s误差较大。
(4)实验前先闭合S2,使C、R2和S2构成回路,目的是使实验前电容器两极板上的电荷中和。
答案:(1)见解析图　(2)3.60　(3)40.0　(4)使实验前电容器两极板上的电荷中和
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