2026年高考总复习优化设计一轮复习物理（广西版）-实验10　观察电容器的充放电现象

高考总复习优化设计GAOKAOZONGFUXIYOUHUASHEJI实验10观察电容器的充放电现象第八章2026内容索引010203强基础增分策略增素能精准突破练思维迁移运用强基础增分策略一、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、实验器材6V的直流电源、单刀双掷开关、平行板电容器、电流表、电压表、小灯泡、导线若干。三、实验思路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,如图甲所示。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,如图乙所示。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。四、实验过程1.电容器的充电开关S合向1,电容器充电。(1)现象①小灯泡开始较亮,逐渐变暗,直至熄灭。②A1的读数由大变小。③V的读数变大。④最后A1的大小等于0,V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。2.电容器的放电开关S合向2,电容器放电。(1)现象①小灯泡开始较亮,逐渐变暗,直至熄灭。②A2的读数开始较大,逐渐变小,电流方向与充电方向相反,直至为0。③开始V的读数为电源电压,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。五、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=。旁栏边角

人教版教材必修第三册P39阅读“拓展学习”——用传感器观察电容器的放电过程,完成下面题目。图甲是观察电容器的充、放电现象的实验装置。电源输出电压恒为8

V,S是单刀双掷开关,G为灵敏电流计,C为平行板电容器。(1)当开关S接

(选填“1”或“2”)时,平行板电容器放电,流经G表的电流方向与充电时

(选填“相同”或“相反”)。

(2)将G表换成电流传感器,电容器充电完毕后再放电,其放电电流随时间变化的图像如图乙所示,已知图像与坐标轴所围的面积约为40个方格,可算出电容器的电容为

F。

答案

(1)2

相反

(2)4×10-4解析

(1)当开关S接2时,平行板电容器放电,流经G表的电流方向与充电时相反。(2)由图像与坐标轴所围的面积约为40个方格,可算出电容器的电荷量为Q=40×0.2×10-3×0.4

C=3.2×10-3

C增素能精准突破考点一教材原型实验典例1.(2023北京市海淀区高三期末)某同学用电流传感器和电压传感器研究电容器的放电情况,按如图所示连接电路,实验时,先将开关S与1端相连,待电路稳定后,将开关掷向2端,传感器将信息传入计算机,屏幕上可以显示出电流、电压随时间变化的i-t图像、u-t图像。(1)由图可知,传感器2应为

(选填“电流”或“电压”)传感器。

(2)计算机屏幕上显示的i-t图像可能为下图中的

,u-t图像可能为下图中的

。

(3)结合屏幕显示的i-t图像、u-t图像信息,可以估算出

。

A.电容器的电容B.电容器储存的电荷量答案

(1)电压

(2)B

D

(3)AB解析

(1)传感器2与电阻R并联,应为电压传感器。考点二实验的改进与创新典例2.(2024广西卷)某同学为探究电容器充、放电过程,设计了图甲实验电路。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,将电流传感器一端与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(结果保留两位有效数字)。

答案

(1)2×10-4(2)15.0(3)2(4)4.7×103

5.2

练思维迁移运用1.(2023广东广州模拟)电流传感器可以在电脑端记录电流随时间变化的图线,探究实验小组设计了如图所示的实验电路,探究电容器的充放电现象。在探究中先将开关接1,待电路稳定后再接2。探究电容器充电及通过电阻放电的电流规律。(1)已知电流从右向左流过电流传感器时,电流为正,则与本次实验相符的I-t图像是

。

(2)从I-t图线与t轴所围的面积可以计算出电容器电荷量的大小。关于本次实验探究,下列判断正确的是

。

A.若只增大电阻箱R的阻值,电容器放电的时间将变短B.若只增大电阻箱R的阻值,电容器放电的I-t图线与t轴所围的面积将增大C.在误差允许的范围内,放电和充电图线与t轴所围的面积应大致相等答案

(1)A

(2)C解析

(1)先给电容器充电,后电容器通过R放电,给电容器充电过程中电流从右向左流过传感器,即为正,由于充电后电容器上极板带正电,电容器通过R放电时,电流从左向右流过传感器,即为负。故选A。(2)放电和充电图线与t轴所围的面积应大致相等,若只增大电阻箱R的阻值,电容器的电荷量不变,I-t图线与t轴所围的面积不变,但对电流的阻碍作用变大,电容器放电的时间将变长,故选C。2.电容器是一种重要的电学元件,在电工、电子技术中应用广泛。某实验小组用图甲所示的电路研究电容器充、放电情况及电容大小,他们用电流传感器和计算机测出电路中电流随时间变化的曲线。实验时,根据图甲所示的电路原理图连接好电路,t=0时刻把开关K掷向1端,电容器充电完毕后,再把开关K掷向2端,电容器通过电阻R放电,传感器将电流信息传入计算机,屏幕上显示出电流随时间变化的I-t图像如图乙所示。甲乙丙(1)电容器放电时,流过电阻R的电流方向为

(选填“由a到b”或“由b到a”)。

(2)图乙中,阴影部分的面积S1

(选填“>”“<”或“=”)S2。

(3)图丙为电压恒为8V的电源给电容器充电时作出的电流随时间变化的I-t图像,电容器充电完毕后的电荷量为

C,电容器的电容为

F。(计算结果均保留两位有效数字)

答案

(1)由a到b

(2)=

(3)8.0×10-3

1.0×10-3解析

(1)电容器充电时上极板接电源正极,故上极板带正电荷,放电时,上极板正电荷通过电阻流向下极板,故流过电阻R的电流方向为由a到b。q=It,乙图中,阴影部分的面积等于充、放电的电荷量,而充放电的电荷量相等,故S1=S2。(3)根据I-t图像的面积表示电容器充电完毕后的电荷量,由图知,每小格代表的电荷量为数出图线包围的格数,满半格或超过半格的算一格,不满半格的舍去,数得格数为32格,则电容器充电完毕后的电荷量为Q=32×2.5×10-4

C=8.0×10-3

C根据电容的定义知,电容器的电容为2.某学习小组利用高电阻放电法研究电容器的充、放电,实验是利用高阻值电阻延长充、放电时间,绘制电容器充、放电电流与时间的i-t图像来研究电容器的充、放电规律。某同学先按图甲连接好实验电路。然后继续实验操作如下:(1)先接通开关S1、S2,调节电阻箱R的阻值,当微安表的示数不变时记下电压表的示数U0=6.0V;(2)断开开关S2,同时开始计时,每隔5s或10s读一次电流i的值,将测得数据填入预先设计的表格中,根据表格中的数据在坐标纸上标出以时间t为横坐标、电流i为纵坐标的点,如图乙中用“×”表示的点。请在图乙中描绘出电流随时间变化的图线;(3)根据图线估算出该电容器在整个放电过程中放出的电荷量Q0约为

C;(结果保留两位有效数字)

(4)根据公式

来计算电容器的电容。(用题中所给字母写出表达式)答案

(2)见解析

(3)7.5×10-3(7.0×10-3~8.0×10-3均可)

(4)解析

(2)描绘出电流随时间变化的图线如图所示。(3)i-t图像与坐标轴围成的面积等于电荷量,则该电容器在整个放电过程中放出的电荷量Q0=30×5×50×10-6

C=7.5×10-3

C。(4)根据公式

来计算电容器的电容。3.(2024广东二模)下图为“观察电容器的充、放电现象”实验。实验器材:电源E(电动势9.50V,内阻可忽略)、电容器C(标称电容值为470μF,击穿电压为10V)、电阻箱R、微安表G、单刀双掷开关S和导线若干。完成下列实验的相关内容:(1)按照图甲所示的电路图,把图乙中的器材连接成完整的实验电路。(2)实验步骤:步骤①将开关S打到1,给电容器C充电,观察微安表G的示数变化直到读数稳定;步骤②先打开手机视频录制软件,再将开关S打到2位置,观察并用视频记录电容器C的放电过程中微安表G的示数变化情况;步骤③断开开关S,查阅视频,记录前160s内,微安表G的读数随时间变化的数据;步骤④在坐标纸上以时间t为横轴,微安表G的读数I为纵轴,描点作出I-t图像,如图丙所