2026版创新设计高考总复习物理(人教基础版)学生用-第3讲 实验十　观察电容器的充、放电现象　电容器的动态分析

第3讲实验十观察电容器的充、放电现象电容器的动态分析学习目标1.了解电容器的充电、放电过程,探究电容器的充、放电过程中,电流、电压、电荷量的变化规律。2.掌握电容的定义式和平行板电容器的决定式,会分析电容器动态变化问题。考点一实验:观察电容器的充、放电现象实验原理实验操作注意事项甲乙如图甲,电容器与电源相连,形成充电电流,随着极板电荷量的增加,充电电流减小。如图乙,电容器的正、负电荷中和,形成放电电流,随着极板电荷量的减少,放电电流减小1.连电路,按原理图连接器材。2.单刀双掷开关S接1,观察电容器充电现象。3.单刀双掷开关S接2,观察电容器放电现象。4.记录好实验结果,关闭电源,整理器材1.电流表要选用小量程的灵敏电流表。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,避免烧坏电流表数据处理1.观察电流表示数变化,总结电容器充、放电电流的变化规律。2.可将电流表换成电流传感器,由计算机绘制充、放电的i-t图像,由图像计算充、放电过程通过电流传感器的电荷量。方法:先算出一个小方格代表的电荷量,然后数出整个图像与横轴所围的面积中的方格数(大于半个的按一个方格计算,小于半个的舍弃)。电容器充电或放电过程中电荷量为一个小方格代表的电荷量乘以方格数。3.电容器两极板之间的电压等于电源电动势,由电容的定义式C=QU估算出电容器的电容C例1(2025·山东德州模拟)心脏除颤器通过一个充电的电容器对心颤患者皮肤上的两个电极板放电,让一部分电荷通过心脏,使心脏完全停止跳动,再刺激心颤患者的心脏恢复正常跳动。现用图甲所示电路观察心脏除颤器中电容器的充、放电过程。电路中的电流传感器可以捕捉瞬时的电流变化,它与计算机相连,可显示电流随时间的变化。图甲直流电源电动势E=8V、内阻不计,充电前电容器带电荷量为零。先使S与“1”端相连,电源向电容器充电。充电结束后,使S与“2”端相连,直至放电完毕。计算机记录的电流随时间变化的I-t曲线如图乙所示。(1)在电容器充电与放电过程中,通过电阻R0的电流方向(选填“相同”或“相反”)。

(2)图像阴影为I-t曲线图像与对应时间轴所围成的面积,乙图中阴影部分的面积S1S2(选填“>”“<”或“=”)。

(3)已知S1=2.41mA·s,则该电容器的电容值为F(保留2位有效数字)。

(4)由甲、乙两图可判断阻值R1R2(选填“>”或“<”)。

例2(2024·广西卷,12)某同学为探究电容器充、放电过程,设计了图甲所示的实验电路。器材如下:电容器,电源E(电动势6V,内阻不计),电阻R1=400.0Ω,电阻R2=200.0Ω,电流传感器,开关S1、S2,导线若干。实验步骤如下:(1)断开S1、S2,将电流传感器正极与a节点相连,其数据采样频率为5000Hz,则采样周期为s。

(2)闭合S1,电容器开始充电,直至充电结束,得到充电过程的I-t曲线如图乙,由图乙可知开关S1闭合瞬间流经电阻R1的电流为mA(结果保留3位有效数字)。

(3)保持S1闭合,再闭合S2,电容器开始放电,直至放电结束,则放电结束后电容器两极板间电压为V。

(4)实验得到放电过程的I-t曲线如图丙,I-t曲线与坐标轴所围面积对应电容器释放的电荷量为0.0188C,则电容器的电容C为μF。图丙中I-t曲线与横坐标、直线t=1s所围面积对应电容器释放的电荷量为0.0038C,则t=1s时电容器两极板间电压为V(结果保留2位有效数字)。

针对训练在“用传感器观察电容器的充、放电过程”实验中,按图甲所示连接电路。电源电动势为6.0V,内阻可以忽略。单刀双掷开关S先跟2相接,某时刻开关改接1,一段时间后,把开关再改接2。实验中使用了电流传感器来采集电流随时间的变化情况。(1)开关S改接2后,电容器进行的是(选填“充电”或“放电”)过程。此过程得到的I-t图像如图乙所示。如果不改变电路其他参数,只减小电阻R的阻值,则此过程的I-t曲线与坐标轴所围成的面积将(选填“减小”“不变”或“增大”)。

(2)若实验中测得该电容器在整个放电过程中释放的电荷量Q=3.45×10-3C,则该电容器的电容为μF。

(3)关于电容器在整个充、放电过程中的q-t图像和UAB-t图像的大致形状,可能正确的有(q为电容器极板所带的电荷量,UAB为A、B两板的电势差)。

考点二平行板电容器的动态分析1.电容器(1)组成:由两个彼此又相距很近的导体组成。

(2)带电荷量:一个极板所带电荷量的。

(3)电容器的充、放电:①充电:使电容器带电的过程,充电后电容器两极板带上等量的,电容器中储存电场能。

②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。

2.电容(1)定义:电容器所带的与电容器两极板之间的之比。

(2)定义式:C=QU(3)单位:法拉(F)、微法(μF)、皮法(pF)。1F=μF=pF。

(4)意义:表示电容器本领的高低。

(5)决定因素:由电容器本身物理条件(大小、形状、极板相对位置及电介质)决定,与电容器是否带电及电压。

3.平行板电容器的电容(1)决定因素:两极板的、电介质的、。

(2)决定式:C=εr4.平行板电容器两类动态变化的特点比较判断正误(1)电容器的电荷量等于两个极板所带电荷量绝对值的和。()(2)电容器的电容与电容器所带电荷量成正比,与电压成反比。()(3)放电后电容器的电荷量为零,电容也为零。()角度两板间电势差U保持不变例3(2025·天津实验中学热身训练)如图所示,平行板电容器与电动势为E的电源连接,上极板A接地,一带负电的油滴固定于电容器中的P点,现将平行板电容器的下极板B竖直向下移动一小段距离,则()A.带电油滴所受静电力不变B.P点的电势将升高C.带电油滴在P点时的电势能增大D.电容器的电容减小,极板带电荷量增大听课笔记

角度两板间电荷量不变例4(多选)一平行板电容器充电后与电源断开,负极板接地,两板间有一个正检验电荷固定在P点,如图所示,以C表示电容器的电容、E表示两板间的电场强度、φ表示P点的电势,Ep表示正电荷在P点的电势能,若正极板保持不动,将负极板缓慢向右平移一小段距离l0的过程中,下列各物理量与负极板移动距离x的关系图像中正确的是()听课笔记

例5(2025·山西名校联考)如图所示,D是一支理想二极管(正向电阻为零,可视为短路;反向电阻无穷大,可视为断路),C是极板水平放置的平行板电容器,初始时不带电。当S接1且稳定后,处于两极板间P点的一带电油滴能保持静止状态。下列说法正确的是()A.保持S接1,减小C两极