2026人教版高考物理总复习 实验：观察电容器的充、放电现象

第7讲实验:观察电容器的充，放电现象

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.了解电容器充、放电过程中，电路中的电流和电容器两端电压的变化规律,会计算电容器

充、放电的电荷量。

二、实验过程

1.电容器的充电过程

如图所示,当开关S接1时，电容器接通电源，在电场力的作用下自由电子从正极板经过电

源向负极板移动,正极板因失去电子而带正电，负极板因获得电子而带负电。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大，以后随着

极板上电荷的增多,电流逐渐减小，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/=0。

2.电容器的放电过程

如图所示,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。放电开始时电流较大,随着两极板上

的电荷量逐渐减小，电路口的电流逐渐减小,两极板间的电压也逐渐减小到零。

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，储存的电能群放出来，转化为其他形式的能。

三、数据处理

1.整个图像与横轴所围的面积的物理意义是整个充电或放电时间内通过电流表的电荷量,

也等于充满电后或放电开始时电容器极板上的电荷量。

2.估算电容器充电或放电过程中电荷量的方法是: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。

四、误差分析

1.电压表读数及电流表不够灵敏造成偶然误差。

2.充放电时间较短、记录现象不够准确出现偶然误差。

3.电容器电容较小和电源不稳定造成系统误差。

五、注意事项

1.电流表要选用小量程的灵敏电流计。

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.在做放电实睑时，在电路中串联一个电阻，以免烧坏电流表。

考点一基础性实验

［例I］【定性分析】（2023•全国新课标卷,22）在“观察电容器的充、放电现象”实验中，

所用器材如下:电池、电容器、电阻箱、定值电阻、小灯泡、多用电表、电流表、秒表、

单刀双掷开关以及导线若干。

⑴用多用电表的电压挡检测电池的电压。检测时,红表笔应该与电池的（选填“正

极”或“负极”）接触。

(2)某同学设计的实验电路如图甲所示。先将电阻箱的阻值调为凡，将单刀双掷开关S与“1”

端相接，记录电流随时间的变化。电容器充电完成后，开关S再与“2”端相接，相接后小灯泡

亮度变化情况可能是o(填正确答案标号)

A.迅速变亮，然后亮度趋『稳定

B.亮度逐渐增大,然后趋于稳定

C.迅速变亮，然后亮度逐渐减小至熄灭

(3)将电阻箱的阻值调为电再次将开关S与“1”端相接，再次记录电流随时间的变化

情况。两次得到的电流/随时间t变化如图乙中曲线所示，其中实线是电阻箱阻值为

(选填或时的结果,曲线与坐标轴所围面积等于该次充电完成后电容器上的

(选填“电压”或“电荷量

【答案】⑴正极(2)C(3展电荷量

【解析】(1)电流从多用电表的红表篦流入,黑表笔.流出，故用多用电表的电压挡捡测电池

的也压时,红表笔,应该与业池的正极接触。

(2)电容器充电完成后，当开关S与“2”端相接，接入小灯泡，电容器放电，回路立即形成巳流，

小灯泡迅速变亮，开始时两极板电荷量较多，电势差较大，随着不断放电,两极板电荷量变少,

电势差变小，流过小灯泡的电流减小，小灯泡亮度减小，直至两极板电荷量为零,无电流流过,

小灯泡熄灭。

(3)开始充电时两极板不带电，两极板电势差为零，由图像可知，开始充电时实线,的电流较小,

故电路中的电阻较大，因此电阻箱阻值为&;由q=It知,/-/曲线与坐标轴所围面积等于该次

充电完成后电容器上的电荷量。

［例2］【定量计算】(2024•广西卷,12)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，电源反电动势6V,内阻不计)，电阻/?i=400.0C,电阻&=200.0C,

电流传感器，开关力、S2,导线若干。实验步骤如下：

甲

12

(1)按照图甲的电路图，把图乙中的器材连接成完整的实验电路。

(2)实监步骤：

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0-160s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I为横轴，微安表G的读数/为纵轴，描点作出I-t图像，如图丙。

(3)分析图丙可知：

①电容器放电过程电流的变化规律为:放电电流逐渐(选填“增大""减小''或"不

变”)，放电电流随时间的变化率逐渐(选填“增大”“减小”或“不变”)。

②图丙中,图像与横轴所包围的面积为84格,可求得该电容器的电容值为"式结

果保留2位有效数字)

(4)步骤①中,微安表G的读数稳定时，并不为(),始终保持在12〃A,出现这种现象的原因是

电容器(选填“短路”或“漏电

【答案】（1）图见解析（3）①减小减小

②4.4x1（P⑷漏电

【解析】（1）按照题图甲的电路图，实物图连接如图所示。

（3）①由题图丙可知，电容器放电过程电流的变化规律为:放电电流逐渐减小,放电电流随时

间的变化率逐渐减小。

②充电后电容器两极板间电势差为U=9.5V,由电容定义式可知C=,=84XIO；;O6X5片

442〃FH4.4X1（）2/ZFO

（4）步骤①中,微安表G的读数稳定时，并不为0,始终保持在12〃A,出现这种现象的原因是

电容器漏电。

考点二创新性实验

［例4］【实验情境的创新】（2023•山东卷,14）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，器材如卜.：

甲

电容器C（额定电压10V,电容标识不清）；

电源£（电动势12源内阻不计）;

电阻箱R（限值0〜99999.9。）；

滑动变阻器小（最大阻值20C,额定电流2A）;

电压表V（量程15V、内阻很大）；

发光二极管Di、D2,开关SI、S2,电流传感器，计算机，导线若干。

回答以下问题：

(1)按照图甲连接电路，闭合开关，，若要升高电容器充电电压,滑动变阻器滑片应向

(选填为"或"")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(结果保留1位

小数)。

(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，根据图像用估算口充电结束后，电容器存储的电荷量为C(结果保留2位

有效数字)。

(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“Di”或“Dz”)闪光。

【答案】⑴b(2)6.5[3)3.9x10-3

(4)4.9x10，(5)Di

【解析】(1)滑动变阻器采用分压式接法，故滑片向方端滑动电容器充电电压升高。

(2)由题图乙可知，电压表盘程为15V,每个小格为0.5V,故示数为6.5V。

(3)/-/图像与坐标轴所围的面积表示电容器存储的电荷量,由题图丙可知，总共39个小格，

故电容器存储的电荷量为3.9x10-3Co

(4)由电容的定义式C吉得C-4.9x1O'F。

(5)由题图甲可知，电容器充电后，左极板带正电,将开关S2掷向2,电容器放电,Di导通，则发

光二极管Di闪光。

［例5］［实验方法的创新】（2024•河南郑州一模）收音机中可变电容器作为调谐电台使用,

如图甲为空气介质单联匕变电容器的结构，它是利用正对面积的变化改变电容器电容大

小的原理工作的，某同学想要研究这种电容器充、放电的特性，于是将其接到如图乙所示的

实验电路中,实验开始时旦容器不带电。

动片/动片引出端动片

定7f乙笈C定片

「（360pF）（260pF）

空气介质单联可变电容器的结构及电路符号

甲

左|------右

2

*EC±1

乙

（1）首先将开关S打向1,这时观察到灵敏电流计G有短暂的示数，稳定后，旋转旋钮,使电容

器正对面积迅速变大，从开始旋转旋钮到最终稳定过程中，流过灵敏电流计的电流方向是

（选填“从左到右”或“从右到左”）,灵敏电流计示数随时间变化的图像可能是

（填选项中的字母序号）。

（2）充电稳定后，断开单刀双掷开关，用电压表接在电容器两端测量电压,发现读数缓慢减小,

原因是o

⑶该同学做完实验，得到电容器的电容后，突然想起他用的是一节旧电池（电动势不变，内

阻不可忽略），他想要得到尽量精确的电容值,（优填“需要”或“不需要”）重新换一

节新电池来测量。

【答案】（I）从左到右A（2）电压表并非理想电表，电容器通过电压表放电（3）不需要

【解析】（1）电容器充电时，电流方向从左到右，刚开始电流比较大，充电结束后，电流为0;

电容当电容器正对面积迅速变大时,电容迅速增大，又由O=CU,可得电容器的带

^rTTnu

电量。增加，故电容器再次充电，充电结束后电流为0。故选Ao

（2）用电压表接在电容器两端测量电压，发现读数缓慢减小，说明电容器在缓慢放电,即电路

中有电流,这是因为电压表不是理想电压表。

（3）本实脸测量电,容的原理是C=^,电容器的带包量。=心可由步骤（1）所得的/r图线与坐

标轴围成的面积求得;充电后两极板之间电压由步骤⑵中的电压表测得。给电容器充电时

由于使用了旧电池,导致充电时电流较小，充电的时间会稍长一点，当充电电流等于0时，电

容器两端电压仍然等于电源电动势，所以电容器最终所带电量不变，不影响测量结果，所以

不需要更换电池。

A课时作业

（满分:60分）

1.（16分）（2025•山西太原期中）在“观察电容器的充、放电现象''实验中：

某同学的实验电路图如图甲，电源输出电压恒为8V,S是单刀双掷开关,C为电容器。该同

学先让S与“1”端相连，稳定后，将S与“2”端相连，直至电流传感器示数为0,如图乙记录了

该过程中通过电容器的电流随时间的变化情况。

电

流

传

感

器

工

丁

（1）当开关S接到力”时，电容器处于过程;当开关S接至『2"时，电容器处于

过程（以上两空均选填“充电”或“放电”）;放电过程中，通过电阻Ho的电流方向与充电过程

（选填“相同”或“相反”）。

（2）图像阴影表示i-t图像与对应时间轴所围成的面积，面积表示的物理意义是o

⑶图乙中阴影部分的面积Si（选填，或“=”后o

【答案】（1）充电放电相反

（2）电荷量（3）=

【解析】⑴当开关S接到“1”时，电容器与电源相连，电容器处于充电状态；当开关S接到“2”

时，电容器处于放电状态。充电时，通过电阻Ro的也流方向向左,电容器上极板带正电，所以

放电1时，通过电阻Ro的电流方向向右，两个过程通过也阻Ro的电流方向相反。

（2）根据公式片”，可知I图像与对应时间轴所围成的面积表示的物理意义是电荷量，

（3）充电前，电容器的电荷量为零，放电完成后，电容器的电荷量为零,可知电容器充电量等

于放电量,故题图乙中阴影部分的面积S=S2。

2.（14分）（2024•海南卷,15）用如图甲所示的电路观察电容器的充放电现象，实验器材有电源

E、电容器C、电压表、中,流表、电流传感器、计算机、定值中阻R、单刀双掷开关5、

开关S2、导线若干。

甲乙

（1）闭合开关9,将，接1.电压表示数增大，最后稳定在12.3V。在此过程中,电流表的示数

（填选项标号）。

A.一直稳定在某一数值

B.先增大，后逐渐减小为零

C.先增大，后稳定在某一非零数值

（2）先后断开开关S2、Si,将电流表更换成电流传感器，再将Si接2,此时通过定值电阻R的

电流方向为（选填%一/或"-a"）,通过传感器将电流信息传入计算机，画出电流

随时间变化的人图像，如图乙尸2s时/=1.10mA,图中〃、N区域面枳比为8：7,可求出

R=kC（结果保留2位有效数字）。

【答案】（l）B（2%—65.2

【解析】（1）由题图甲可知，当闭合开关S2,将Si接1时，电源为电容器充电，电流表示数先

从0增大到某一数值，随着电容器的不断充电，电路中的充电电流逐渐减小,当电容器充满

电后，电路相当于断路，电流为零,B正确。

(2)由题图甲可知，当闭合开关S2,将Si接1时，电容器的上极板与电源正极相连，包容器充

电结束后上极板带正电，当将Si接2时，电容器放电，此时通过定值电阻R的电流方向为

a—b;电容器开始放电前两端电压为12.3V,由题图乙可知，当t=2s时，电路中的电流/=

1.10mA,可知此时电容器两端的电压为5=/上可得0〜2s内的放电量为Q=AU・C=

(12.3T.10x1()3XR)XC,2s后到放电结束的放电量为02=AU'C=1.10x1()3xRxC,已知题图乙

中M、N区域面积之比为8:7,则华Y，解得R=5.2kO。

Qi7

3.(16分)(2024・广西河池阶段练习)某同学设计了如图甲所示的电路，用来完成“观察电容

器的充、放电现象”实验。

乙

⑴将开关S接通1,电容器的(选填"上”或"下”)极板带正电，再将S接通2,通过电

流表的电流方向向(选填“左”或“右”)。

(2)实验中所使用的电容器如图乙所示，其标称值为“16V3300"F”,当电容器两端的电

压为6V时，电容器正极板带电荷量为。1结果保留2位有效数字)

(3)下列关于电容器充电时，所带电荷量Q与时间t的关系、所带电荷量。与两极板间的

电压U的关系正确的是o(多选)

CD

(4)如图丙所示为利用传感器研究电容器放电过程的实险电路，实验时先将开关S与1端相

连，电源向电容器充电，待电路稳定后产0时刻把开关S掷向2端,电容器通过电阻放电，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/-/曲线如图丁所示，这个

曲线的横坐标是放电时间，纵坐标是放电电流，则电容器释放的最大电荷量约为o

(结果保留2位有效数字)

按计算机

【答案】⑴下右(2)2.0xl0-2C(3)AD(4)3.2x10-3C

【解析】(1)将开关S接通1,电容器下极板与电源正极连接，故下极板带正也。将S接通

2,电流由下极板通过电阻、电流表流向上极板，故通过也流表的电流方向向右。

(2)由电容的定义式，可得也容器正极板带电荷量为Q=CU=3300xl06x6C=1.98x10-2

C-2.0xl0-2Co

(3)充电过程中，电荷量随时间逐渐增大，且充电电流逐渐减小,。r图像斜率变小,A正确,B

错误;由可知，电容不变，电荷量与电压成正比,C缗误,D正确。

(4)/-/图像中图线与坐标轴围成的面积表示电荷量，大于半格记为一格，小于半格舍去，约为

40格，故电容器在放电过程中释放的也荷量约为0=40＞：0.2x10-3x04C=3.2xlO^Co

4.(14分)(2024•江苏泰州一模)电容储能已经在电动汽车、风力发电等方面得到广泛应用。

某同学设计了图甲所示电路，探究不同电压下电容器的充、放电过程和测定电容器的电容。

器材如下：

电容器。(额定电压10V,电容标识不清)；

电源上(电动势12V,内阻不计)；

滑动变阻器4（最大阻值20Q）;

电阻箱&（阻值0-9999.9C）;

电压表V（量程15V,内阻较大）；

开关，、S2,电流传感器，计算机，导线若干。

甲

乙

（1）按照图甲连接电路，闭合开关Si、断开开关S2,调节滑动变阻器Ri的滑片向b端滑动。

（2）当电压表的示数为S=3V时，调节&的阻值，闭合开关S%通过计算机得到电容器充电

过程电流随时间变化的图像;保持&的阻值不变，断开开关Si,得到电容器放电过程电流随

时间变化的图像，图像如图乙所示。测得/i=6mA,则&=Qo

（3）重复上述实验，得到不同电压下电容器的充、放电过程的电流和时间的图像，利用面积

法可以得到电容器电荷量的大小，测出不同电压下电容器所带的电荷量如下表：

实验次数123456

UN345678

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