【创新】高中物理一轮复习学案-第8章第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、放电过程，会定量计算电容器充、放电的电荷量。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。1.2.观察电容器的充、放电现象实验原理实验操作注意事项甲电容器充电乙电容器放电如图甲，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，观察充电现象。3.单刀双掷开关S接2，观察放电现象。4.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C1.电容器所带的电荷量是指每个极板所带电荷量的代数和。(×)2.电容器的电容与电容器所带电荷量成反比。(×)3.放电后的电容器电荷量为零，电容也为零。(×)考点一实验:观察电容器的充、放电现象角度电容器充、放电现象的定性分析例1(2024·甘肃卷，7)一平行板电容器充放电电路如图所示。开关S接1，电源E给电容器C充电;开关S接2，电容器C对电阻R放电。下列说法正确的是()A.充电过程中，电容器两极板间电势差增加，充电电流增加B.充电过程中，电容器的上极板带正电荷，流过电阻R的电流由M点流向N点C.放电过程中，电容器两极板间电势差减小，放电电流减小D.放电过程中，电容器的上极板带负电荷，流过电阻R的电流由N点流向M点答案C解析电容器不论是充电过程还是放电过程，电流都是逐渐减小的，充电过程电容器两极板的电荷量增加，由C＝QU可知电容器两极板间电势差增大，放电过程电容器两极板的电荷量减少，电势差减小，A错误，C正确;根据电路结构可知，不论是充电过程还是放电过程，电容器的上极板都是带正电荷的，充电过程，流过电阻R的电流由N点流向M点，放电过程，流过电阻R的电流由M点流向N点，B、D角度电容器充、放电现象的定量计算例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)。

答案(1)2×10－4(2)15.0(3)2(4)4.7×1032.8解析(1)采样周期为T＝1f＝15000s＝2×10(2)由题图乙可知开关S1闭合瞬间流经电阻R1的电流为15.0mA。(3)放电结束后电容器两极板间电压等于R2两端电压，根据闭合电路欧姆定律得电容器两极板间电压为UC＝ER1＋R2R(4)充电结束后电容器两端电压为UC'＝E＝6V，故可得ΔQ＝C(UC'－UC)＝0.0188C解得C＝4.7×103μF设t＝1s时电容器两极板间电压为UC″，则C(UC″－UC)＝0.0038C代入数值解得UC″＝2.8V。(1)在电容器充、放电实验中，电流表串联在电路中测量电路中的电流，电压表与电容器并联，测量电容器两端的电压。(2)电容器充电过程中，电路中的电流逐渐减小，电容器两端电压逐渐增大，当充电完毕时电容器两端电压最大，电路中电流为0。(3)电容器放电过程中，电容器相当于电源，其与定值电阻构成闭合回路，电压表和电流表分别测量定值电阻两端的电压和流过定值电阻的电流。跟踪训练1.(2024·重庆卷，12)探究电容器充、放电规律的实验装置如图甲所示，有电源E、定值电阻R0、电容器C、单刀双掷开关S。(1)为测量电容器充、放电过程电压U和电流I变化规律，需在图甲电路图①、②处接入测量仪器，位置②应该接入测(选填“电流”或“电压”)仪器。

(2)接通电路，当电压表示数最大时，电流表示数为。

(3)根据测量数据，某过程中电容器两端电压U与电流I的关系图如图乙所示，该过程为(选填“充电”或“放电”)。放电过程中电容器两端电压U随时间t变化关系如图丙所示。t＝0.2s时R0消耗的功率为W。

答案(1)电压(2)0(3)放电0.32(0.30~0.34均可)解析(1)位置②与电容器并联，应接入测电压的仪器。(2)当电压表示数最大时，电容器充电完毕，电路中电流为0，则电流表示数为0。(3)电容器放电时电压和电流都减小，图像逆向分析，该过程为电容器放电过程。电容器充电完毕后的电压等于电源电动势，大小为12V，由题图丙可知t＝0.2s时电容器两端电压为U＝8V，由题图乙可知当U＝8V时，电流I＝40mA，则电阻R0消耗的功率为P＝UI＝8×40×10－3W＝0.32W。考点二平行板电容器的动态分析两类典型问题用到公式C＝1.电容器始终与恒压电源相连，电容器两极板间的电势差U保持不变2.电容器充电后与电源断开，电容器两极板所带的电荷量Q保持不变角度两极板间电势差U保持不变例3(2024·黑吉辽卷，5)某种不导电溶液的相对介电常数εr与浓度cm的关系曲线如图(a)所示。将平行板电容器的两极板全部插入该溶液中，并与恒压电源、电流表等构成如图(b)所示的电路。闭合开关S后，若降低溶液浓度，则()A.电容器的电容减小B.电容器所带的电荷量增大C.电容器两极板之间的电势差增大D.溶液浓度降低过程中电流方向为M→N答案B解析由题图(a)知，溶液浓度降低，相对介电常数εr增大，根据C＝εrS4πkd可知，电容C增大，A错误;由于电容器与恒压电源相连，故电容器两极板间的电势差等于电源电压，保持不变，C错误;根据C＝QU可知，电容C增大，电容器所带电荷量增大，电容器充电，故电流方向为N→角度两极板所带电荷量不变例4(2024·浙江6月选考，6)如图所示是“研究电容器两极板间距对电容大小的影响”实验，保持电荷量不变，当极板间距增大时，静电计指针张角增大，则()A.极板间电势差减小 B.电容器的电容增大C.极板间电场强度增大 D.电容器储存能量增大答案D解析分析题图可知静电计测量电容器两极板间的电势差，静电计指针张角增大，电容器两极板间的电势差增大，A错误;由于保持电荷量不变，而电势差增大，由C＝QU可知电容器的电容减小，B错误;由电容的决定式C＝εrS4πkd和两极板间电场强度E＝Ud＝QCd，联立可得E＝4πkQεrS，可知电容器两极板间电场强度与极板间距d无关，故仅改变极板间距，极板间电场强度不变，C错误;根据E总结提升平行板电容器动态分析的思路角度含二极管的动态分析例5(多选)(2025·山东青岛高三期末)如图所示，D是一只理想二极管，电流只能从a流向b，而不能从b流向a。平行板电容器的A、B两极板间有一电荷，在P点处于静止状态。以E表示两极板间的电场强度，U表示两极板间的电压，Ep表示电荷在P点的电势能。若保持极板B不动，将极板A稍向下平移，则下列说法中正确的是()A.E变小 B.U变大C.Ep不变 D.电荷仍保持静止答案BD解析若保持极板B不动，将极板A稍向下平移，板间距离d变大，根据C