实验10　观察电容器的充、放电现象

4/4实验10观察电容器的充、放电现象装置原理操作要领注意事项（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：先算出一个代表的电荷量，然后数出整个图像与横轴所围的中的方格数（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一、教材原型实验（2024·海南高考15题）用如图（a）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、电流表、电流传感器、计算机、定值电阻R、单刀双掷开关S1、开关S2、导线若干。（1）闭合开关S2，将S1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、S1，将电流表更换成电流传感器，再将S1接2，此时通过定值电阻R的电流方向为（选填“a→b”或“b→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I-t图像，如图（b），t＝2s时，I＝1.10mA，图中M、N区域面积比为8∶7，可求出R＝kΩ（保留2位有效数字）。尝试解答（2024·广西高考12题）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）。尝试解答二、创新拓展实验创新角度1：实验目的、器材的创新利用电压传感器探究电容器充放电的U-t图像见〔典例3〕创新角度2：实验原理、考查角度的创新（1）利用分压式控制电路控制电容器的充电电压。（2）考查发光二极管单向导电性见〔典例4〕（2026·山东青岛期末）在“观察电容器的充、放电现象”实验中。实验装置如图甲所示：电池、电容器、电阻箱、定值电阻、电压传感器、电流表、电压表、单刀双掷开关以及导线若干。（1）先将单刀双掷开关S与“1”端相接，调节电阻箱接入电路的R的阻值，使电流表的指针满偏，记下这时电流表的示数I0＝500μA、电压表的示数U0＝6.0V，此时电阻箱接入电路的R的阻值为9.5kΩ，则电流表的内阻为kΩ；（2）再将单刀双掷开关S与“2”端相接，通过电阻R0的电流（选填“从a到b”或“从b到a”）。从开关S与“2”端相接瞬间开始计时，利用电压传感器和数据处理软件得到U-t图像如图乙所示，已知图线与坐标轴围成的面积为S0。根据该图像可以粗测出实验中电容器的电容C＝；（用题中已知物理量Um、R0和S0表示）（3）若换用另一个电介质相同、极板间距相等、极板正对面积较小的电容器进行实验，则得到的U-t图像中图线与坐标轴所围成的面积将。（选填“变大”“变小”或“不变”）尝试解答（2023·山东高考14题）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。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端滑动（选填“a”或“b”）。（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）。（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