2022届新教材高考物理一轮复习第八章静电场实验10观察电容器的充放电现象学案新人教版

1、实验10观察电容器的充、放电现象必备知识预案自诊一、实验目的1.理解电容器的储能特性及其在电路中能量的转换规律。2.电容器充、放电过程中,电路中的电流和电容器两端电压的变化规律。二、实验原理1.电容器充电:电源使电容器的两极板带上等量异种电荷的过程,如图甲。2.电容器放电:用导线将充好电的电容器的两极板相连,使两极板的异种电荷中和的过程,如图乙。3.电容器充放电时的能量转化:充电后,电容器储存了电能。放电时,储存的电能释放出来,转化为其他形式的能。三、实验操作(一)电容器的充电开关s合向1,电容器充电。1.现象:(1)白炽灯开始较亮,逐步变暗。(2)的读数由大变小。(3)的读数变大。(4)最后

2、的大小等于0,的大小等于电源电压。2.解释:电源正极向极板供给正电荷,负极向极板供给负电荷。电荷在电路中定向移动形成电流,两极板间有电压。s刚合上时,电源与电容器之间存在较大的电压,使大量电荷从电源移向电容器极板,产生较大电流,随着极板电荷的增加,极板间电压增大,电流减小。当电容器两极板间电压等于电源电压时,电荷不再定向移动,电流为0,灯不亮。(二)电容器的放电开关s合向2,电容放电。1.现象:(1)开始灯较亮,逐渐变暗,直至熄灭。(2)开始较大,逐渐变小,电流方向与充电方向相反,直至指示为0。(3)开始指示为电源电压,逐渐减小,直至为0。2.解释:放电过程中,由于电容器两极板间的电压使回路中

3、有电流产生。开始这个电压较大,因此电流较大,随着电容器极板上的正、负电荷的中和,极板间的电压逐渐减小,电流也减小,最后放电结束,极板间不存在电压,电流为0。3.结论:当电容器极板上所储存的电荷量发生变化时,电路中就有电流流过;若电容器极板上所储存的电荷量恒定不变时,则电路中就没有电流流过。四、分析与论证当电容器极板上所储存的电荷发生变化时,电路中就有电流流过;若电容器极板上所储存的电荷量恒定不变时,则电路中就没有电流流过。电路中的平均电流为i=qt。关键能力学案突破考点一教材原型实验【典例1】如图甲所示连接电路,当单刀双掷开关s掷向1端,电源向电容器充电。然后把开关掷向2端,电容器通过电阻r放

4、电,传感器将电流信息传入计算机,屏幕上显示出如图乙所示的电流随时间变化曲线。下列说法正确的是()a.开关s掷向2端时,流经电流传感器的电流方向从b到ab.充电过程中电容器的电容c、电荷量q、电压u都变大c.i-t图中曲线与坐标轴围成的面积表示电容器储存的电荷量d.电容器放电完毕时,电容c变为零电容器充、放电现象中的三点注意1.电容器充电时电流流向正极板,电容器放电时电流从正极板流出,且充放电电流均逐渐减小至零。2.电容器充、放电过程,电容器的电容不变,极板带电荷量和电压按正比关系变化。3.电容器充、放电过程,i-t图中曲线与坐标轴围成的面积表示电容器储存的电荷量。考点二实验的改进与创新【典例2

5、】(2019北京卷)电容器作为储能器件,在生产生活中有广泛的应用。对给定电容值为c的电容器充电,无论采用何种充电方式,其两极间的电势差u随电荷量q的变化图像都相同。图1(1)请在图1中画出上述u-q图像。类比直线运动中由v-t图像求位移的方法,求两极间电压为u时电容器所储存的电能ep。(2)在如图2所示的充电电路中,r表示电阻,e表示电源(忽略内阻)。通过改变电路中元件的参数对同一电容器进行两次充电,对应的q-t曲线如图3中所示。a.两条曲线不同是(选填“e”或“r”)的改变造成的;b.电容器有时需要快速充电,有时需要均匀充电。依据a中的结论,说明实现这两种充电方式的途径。图2图3(3)设想使

6、用理想的“恒流源”替换(2)中电源对电容器充电,可实现电容器电荷量随时间均匀增加。请思考使用“恒流源”和(2)中电源对电容器的充电过程,填写下表(选填“增大”“减小”或“不变”)。项目“恒流源”(2)中电源电源两端电压通过电源的电流对应演练迁移应用1.“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;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(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

7、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(填“左”或“右”)。2.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 ,定值电阻r2=150 ,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:实验次数实验步骤第1次将电阻r1等器材按照图甲正确连接电路,将开关s与1端连接,电源向电容器充电。将开关s掷向2端,测得电流随时间变化的i-t曲线如图乙中的实线a所示。第2次用电阻r2替换r1,重复上述实验步骤,测得电流随时间变化的i-t曲线如图丙中的某条虚线所示。说明:两次实验中电源输出的直流电压恒

8、定且相同。甲请完成下列问题:(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 mas,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。乙丙3.如图甲所示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的方法,测出电容器充电至电压u时所带电荷量q,从而求出待测电容器的电容c。某同学在一次实验时的情况如下:a.按如图甲所示的电路图接好电路b.接通开关s,调节电阻箱r的阻值,使电流表的指针偏转接近满刻度,记下此时电

9、流表的示数是i0=490 a,电压表的示数u0=8.0 vc.断开开关s,同时开始计时,每隔5 s测读一次电流i的值,将测得数据填入表格,并标示在图乙的坐标纸上(时间t为横坐标,电流i为纵坐标),如图乙中小黑点所示。(1)在图乙中画出i-t图线;(2)图乙中图线与坐标轴所围成面积的物理意义是;(3)若某同学实验时把电压表接在e、d两端,则电容的测量值比它的真实值(选填“偏大”“偏小”或“相等”)。实验10观察电容器的充、放电现象关键能力学案突破典例1c开关s掷向1端时,电容器上极板接电源的正极;开关s掷向2端时,流经电流传感器的电流方向从a到b,选项a错误;充电过程中电容器的电荷量q、电压u都

10、变大,电容c不变,选项b错误;根据q=it,则i-t图中曲线与坐标轴围成的面积表示电容器储存的电荷量,选项c正确;电容器放电完毕时,电容大小不变,选项d错误。典例2答案(1)u-q图线如图:电压为u时,电容器带电q,图线和横轴围成的面积为所储存的电能epep=12qu,又q=cu故ep=12cu2(2)a.rb.减小电阻r,可以实现对电容器更快速充电;增大电阻r,可以实现更均匀充电。(3)“恒流源”(2)中电源电源两端电压增大不变通过电源的电流不变减小对应演练迁移应用1.答案(1)左(2)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

11、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。2.答案(1)910.010-3(2)c两次放电电荷量相等,图形与t轴围成的面积相等,另由于r2r1,开关掷向2瞬间放电电流较小解析(1)由题图知,最大电流为im=90ma=0.09a,因此最大电压为um=imr1=9v;曲线下围的面积表示电容器的带电荷量q=90mas,根据电容器的定义式可得c=10.010-3f。(2)根据im=umr,因第2次实验的最大放电电流小些,而曲线下围的面积相等,因此不是b。故电流随时间变化的曲线应该是虚线c。3.答案(1)见解析图(2)开始放电时电容器所带的电荷量(3)偏