2025高考物理总复习电容器观察电容器的充放电现象带电粒子在电场中的运动

第4讲电容器实验观察电容器的充放电现象带电粒子在电场中的运动高考总复习2025考点一电容器强基础•固本增分电容器

电容1.电容器(1)组成:由两个彼此

又相互靠近的导体组成。

(2)所带电荷量:一个极板所带电荷量的

。

(3)电容器的充、放电

充电过程Q、U、E均增大,放电过程反之充电:使电容器带电的过程,充电后电容器两极板带上

的异种电荷,电容器中储存电场能。

放电:使充电后的电容器失去电荷的过程,放电过程中

转化为其他形式的能。放电过程电流随时间的变化如图所示,面积表示电容器减少的电荷量。

绝缘绝对值等量电场能2.电容(1)意义:表示电容器容纳电荷本领大小的物理量。(2)定义:电容器所带的

与电容器两极板间的电势差的比值。(3)定义式:。

比值定义法(4)单位:法拉(F),1F=

μF=1012pF。

(5)平行板电容器的电容平行板电容器的电容与极板的

成正比,与电介质的相对介电常数成正比,与

成反比。

公式:,k为静电力常量。电荷量106

正对面积极板间距离3.电容器的种类(1)从构造上看,可以分为固定电容器和可变电容器两类。(2)按电介质分类:有机介质电容器、无机介质电容器、电解电容器、电热电容器和空气介质电容器等。×××研考点•精准突破一、平行板电容器的动态分析1.分析思路(1)先确定是Q还是U不变:电容器保持与电源连接,U不变;电容器充电后与电源断开,Q不变。2.两类动态变化问题的比较

分类充电后与电池两极相连充电后与电池两极断开不变量UQd变大C变小Q变小E变小C变小U变大E不变S变大C变大Q变大E不变C变大U变小E变小εr变大C变大Q变大E不变C变大U变小E变小二、电容器电容、电荷量、电压的分析1.电容器的电容只由电容器本身决定,与电容器所带的电荷量、两极板间电压无关,因此,在分析电荷量、电压时电容器电容不变是分析问题的关

键点。考向一

平行板电容器的动态分析典题1(2021重庆卷)电容式加速传感器常用于触发汽车安全气囊等系统,如图所示。极板M、N组成的电容器视为平行板电容器,M固定,N可左右运动,通过测量电容器极板间的电压的变化来确定汽车的加速度。当汽车减速时,极板M、N间的距离减小,若极板上的电荷量不变,则该电容器(

)A.电容变小B.极板间电压变大C.极板间电场强度不变D.极板间的电场强度变小C典题2(2024广东广州华南师大附中模拟)如图所示,两个相同的半圆形金属板相互靠近、水平放置,板间可视为真空。两金属板分别与电源两极相连。上极板可绕过圆心且垂直于半圆面的轴转动。开始时,两极板边缘完全对齐,闭合开关S后,两板间的一个带电微粒恰好静止,然后上极板转过5°(微粒仍在两板间)忽略电场边缘效应,则(

)A.断开开关S后,微粒将竖直下落B.转动前后,电容器的电容之比为36∶35C.转动过程中,有从a→b的电流流过电阻RD.断开开关S后,上极板再转动5°,微粒仍然静止B转动之前,电容器下极板带正电,上极板带负电,转动过程中,电容变小,电容器放电,有从b→a的电流流过电阻R,故C错误;当断开开关S后,两极板的电荷量不变,让上极板再转过5°,则两极板正对面积减少,根据公式

可知,其他条件不变,电容器的电容变小,电势差变大,间距不变,则电场强度增大,微粒所受静电力增大,则微粒将竖直向上运动,故D错误。考向二

电容器

电容传感器典题3(2024浙江温州模拟)心室纤颤是一种可危及生命的疾病。某型号AED模拟治疗仪器的电容器电容是25μF,充电至8kV电压,充满电后,如果电容器在2ms时间内完成放电,则(

)A.电容器放电过程中平均功率为800kWB.电容器的击穿电压为8kVC.电容器放电过程中电容越来越小D.电容器放电过程中电流最大值一定大于100AD解析

电容器所带的电荷量为Q=CU=25×10-6×8×103

C=0.2

C,由电流强度的定义式

,可得电容器放电过程中平均电流为

=100

A,电容器放电过程中若电压不变,则有平均功率为

=8×103×100

W=800

000

W=800

kW,因电容器放电过程中电压在逐渐减小,因此在电容器放电过程中平均功率小于800

kW,A错误;电容器充电至8

kV电压,此电压应不高于电容器的额定电压,而电容器的击穿电压要大于额定电压,即电容器的击穿电压大于8

kV,B错误;电容器的电容与电容器所带的电荷量无关,因此电容器放电过程中电容不变,C错误;电容器放电过程中平均电流为100

A,因此电容器放电过程中电流最大值一定大于100

A,D正确。典题4

传感器是一种检测装置,能接收到被测量的信息,并能将接收到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求,它是实现自动检测和自动控制的首要环节。测定液面高度h的电容式传感器示意图如图所示,E为电源,G为灵敏电流表,A为固定的导体芯,B为导体芯外面的一层绝缘物质,C为导电液体。已知电流从灵敏电流表左边接线柱流进灵敏电流表,指针向左偏。如果在导电液体的深度h发生变化时观察到指针正向左偏转,则(

)A.导体芯A所带的电荷量在增加,导电液体的深度h在增大B.导体芯A所带的电荷量在减小,导电液体的深度h在增大C.导体芯A所带的电荷量在增加,导电液体的深度h在减小D.导体芯A所带的电荷量在减小,导电液体的深度h在减小D解析

电流表指针向左偏转,说明电流从灵敏电流表的左接线柱流进灵敏电流表,则导体芯A所带的电荷量在减小,由Q=CU可知,导体芯A与导电液体形成的电容器的电容减小,根据电容的决定式

可知导电液体的深度h在减小。故选D。方法技巧

掌握电容器问题的“三个公式”“两个结论”“一个特例”1.必须记住的三个公式2.掌握两个重要结论(1)电容器与电路(或电源)相连,则两端电压取决于电路(或电源),稳定时相当于断路,两端电压总等于与之并联的支路电压。(2)充电后电容器与电路断开,电容器所带的电荷量不变,此时若只改变两极板间距离,则极板间电场强度大小不变。3.注意一个特例当有电容器的回路接有二极管时,因二极管的单向导电性,将使电容器的充电或放电受到限制。考点二观察电容器的充放电现象强基础•固本增分实验:观察电容器的充放电现象1.实验原理(1)电容器的充电过程甲

如图甲所示,当开关S接1时,电容器接通电源,在静电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

电子而带

电,负极板因

电子而带

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

(选填“大”或“小”),以后随着极板上电荷的增多,电流逐渐

(选填“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定向移动,电流I=0。

失去正获得负大减小(2)电容器的放电过程

乙如图乙所示,当开关S接2时,相当于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。放电开始时电流较

(选填“大”或“小”),随着极板上电荷的减少,电路中的电流逐渐

(选填“增大”或“减小”),两极板间的电压也逐渐减小到零。

大减小2.实验步骤

丙(1)按图丙连接好电路。(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。×√研考点•精准突破电容器充、放电过程中I-t图像形状的决定因素1.图像面积根据Q=CU可知,图像的面积由电容器充电结束或放电开始时其两极板间的电势差和电容器的电容决定。2.图像峰值根据

可知,图像的峰值由电容器充电结束或放电开始时其两极板间的电势差和电路总电阻决定。考向一

观察电容器的充放电现象典题5(2023山东卷)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10V,电容标识不清);电源E(电动势12V,内阻不计);电阻箱R1(阻值0~99999.9Ω);滑动变阻器R2(最大阻值20Ω,额定电流2A);电压表V(量程15V,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。甲回答以下问题:(1)按照图甲连接电路,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)。

乙b6.5(3)继续调节滑动变阻器滑片位置,电压表示数为8.0V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)。

丙(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。

3.9×10-34.9×10-4D1解析

(1)按照题图甲连接电路,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b端滑动。(2)根据读数规则,电压表的示数为6.5

V。(3)图像和坐标轴所围格数为39,故电容器存储的电荷量为Q=39×0.2×10-3×0.5

C=3.9×10-3

C。(4)根据电容的定义式可得

=4.9×10-4

F。(5)电容器充电后,将开关S2掷向2,电容器放电,电容器左侧带正电,根据二极管单向导电性,发光二极管D1发光。考向二

放电法测量电容典题6(2024安徽模拟)利用放电法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(未画出),记录放电电流随时间变化的图像,可用系统软件计算出电容器所带的电荷量为Q,Q与充电电压U的比值即为电容器的电容C。(1)实验开始前先判断电容器的好坏。使用多用电表的欧姆挡进行测量,把调零后的多用电表的红黑表笔分别接触电容器的两极板,观察到多用电表指针先向右偏转较大角度,后又逐渐返回到起始位置,此现象说明电容器是

(选填“好”或“坏”)的;

好(2)图甲、乙为测量电容的两种电路原理图,学生电源应采用

(选填“直流”或“交流”)电源,先使开关S与1端相连,充电结束后,读出电压表的示数;然后把开关S与2端相连,测量出电容器所带的电荷量Q,为了减小误差,在图甲、乙中,应选图

为测量电路。

甲乙直流甲(3)某同学选择了正确的实验电路图,经过实验操作获得如下表所示的多组数据,其中第4组数据的Q未记录,但计算机显示了这次测量的I-t图像如图丙所示,由此可估算出Q=

,请根据以上数据,在图丁中作出Q-U图像,并由Q-U图像计算该电容器的电容为

F。(结果均保留两位小数)

次数123456U/V10.813.516.820.223.827.0Q/10-3C0.861.091.22

1.932.15丙丁1.60×10-3见解析图

7.95×10-5(7.90×10-5~8.05×10-5均可)解析

(1)使用多用电表的欧姆挡进行测量,多用电表内有电源,先对电容器充电,有充电电流,观察到多用电表指针向右偏转较大角度;随着电容器逐渐充满电,充电电流逐渐减小,最终电容器相当于断路状态,指针又逐渐返回到起始位置,此现象说明电容器是好的。(2)学生电源应采用直流电源,因为电容器通交变电流后,其电压不断变化,没法得出稳定的电压,故选直流电源。当把开关S与2端相连,电容器放电,题图甲的所有电荷均通过电流表,测量准确,题图乙中还有一部分电荷通过电压表,这部分电荷测不出来,故选题图甲。(3)由ΔQ=I·Δt知,电荷量为I-t图像与坐标横轴所围的面积,即面积为电容器在开始放电时所带的电荷量,由题图丙可知“面积”格数约40格,每小格相当于4×10-5

C,所以电容器电压为U=20.2

V时,电荷量Q=1.60×10-3

C。由表格数据描点作图,如图所示,在图像中选取两个相距较远的点,计算出图线的斜率,即为电容器的电容C=7.95×10-5

F。考点三带电粒子在电场中的运动强基础•固本增分带电粒子在匀强电场中的运动1.做直线运动的条件(1)粒子所受合力F合=0,粒子做匀速直线运动或静止。(2)粒子所受合力F合≠0,且与初速度方向在同一条直线上,带电粒子将做匀加速直线运动或匀减速直线运动。2.带电粒子在匀强电场中的偏转(1)条件:以速度v0垂直于电场方向飞入匀强电场,仅受静电力。(2)运动性质:匀变速曲线运动。

类平抛运动(3)处理方法:运动的合成与分解。①沿初速度方向:做

运动。

②沿电场方向:做初速度为零的

运动。

匀速直线匀加速直线×√√研考点•精准突破一、带电粒子在电场中做直线运动1.带电粒子(体)在电场中运动时重力的处理基本粒子如电子、质子、α粒子、离子等,除有说明或明确的暗示以外,一般都不考虑重力(但并不忽略质量)带电体如液滴、油滴、尘埃、小球等,除有说明或有明确的暗示以外,一般都不能忽略重力2.用动力学观点分析

3.用能量观点分析非匀强电场中:W=qU=Ek2-Ek1。二、带电粒子在匀强电场中的偏转1.带电粒子在电场中的偏转规律2.处理带电粒子的偏转问题的两种方法(1)运动的分解法一般用分解的思想来处理,即将带电粒子的运动分解为沿静电力方向上的匀加速直线运动和垂直静电力方向上的匀速直线运动。(2)功能关系当讨论带电粒子的末速度v时也可以从能量的角度进行求解:3.计算粒子打到屏上