52　第八章　第47课时　观察电容器的充、放电现象(实验课)

第八章静电场第47课时观察电容器的充、放电现象(实验课)[学习目标]

1．理解电容器充、放电过程中，电路中的电流和电容器两端电压的变化规律。2．理解电容器的储能特性及其在电路中能量的转换规律。1．电容器充、放电2．观察电容器的充、放电现象实验原理

电容器与电源相连，形成充电电流时，随着极板电荷量的增加，充电电流减小。电容器的正、负电荷中和，形成放电电流时，随着极板电荷量的减少，放电电流减小实验操作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，整理器材注意事项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类型1

教材原型实验[典例1]

(2023·新课标卷)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、停表、单刀双掷开关以及导线若干。(1)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(a)所示。先将电阻箱的阻值调为R1，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________。(填正确答案标号)A．迅速变亮，然后亮度趋于稳定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正极C(3)将电阻箱的阻值调为R2(R2>R1)，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I随时间t变化如图(b)中曲线所示，其中实线是电阻箱阻值为________(选填“R1”或“R2”)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”)。R2

电荷量

类型2

探索创新实验[典例2]

(2024·海南卷)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0C．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(保留两位有效数字)。B

a→b

5.2[解析]

(1)闭合开关S2、S1接1后，电路中的电流瞬间达到最大值，然后电源给电容器充电，电压表的示数逐渐增大，电路中的电流逐渐减小，当电压表示数稳定后，电路中的电流减为0，即电流表的示数先增大，后逐渐减小为0，B正确。(2)闭合开关S2、S1接1时，电源正极与电容器上极板相连，则电容器上极板带正电，因此S2接2的电容器放电过程通过R的电流方向为a→b，根据I-t图像与坐标轴围成图形的面积表示电荷量可知，0～2

s过程电容器放出的电荷量Q1与2

s后至放电结束过程电容器放出的电荷量Q2之比为8∶7，根据电容的定义式可知，Q1＝CΔU1，Q2＝CΔU2，由电路图可知ΔU1＝U0－I1R，ΔU2＝I1R，其中U0＝12.3

V，I1＝1.10×10-3

A，解得R≈5.2

kΩ。【创新点解读】

在“观察电容器的充、放电”实验中，考题主要从三个角度创新：(1)电源，可以是恒压源也可以是恒流源。(2)电阻，主要探究电阻对电流变化快慢的影响。(3)用类比的方法理解I-t图像与横轴所围成的面积的物理意义。[典例3]

(2024·广西卷)某同学为探究电容器充、放电过程，设计了如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(结果保留三位有效数字)。

(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。

2×10-4

15.02

(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)。

4.7×1032.8

【创新点解读】

(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。1．(2025·山东济南一模)某探究小组利用如图所示的电路观察电容器的充、放电现象，其中E为电源(内阻不计)，R为定值电阻，C为电容器，A为电流表，V为电压表。(1)给电容器充电后，为了观察放电现象，单刀双掷开关S应拨至________(选填“1”或“2”)位置。放电过程中，R中电流方向_________(选填“自左向右”或“自右向左”)；观察到电压表的示数逐渐变小，说明电容器的带电量逐渐________(选填“增加”或“减少”)。课时作业(四十七)观察电容器的充、放电现象(实验课)2

自右向左减少(2)关于充电过程，下列说法正确的是________。A．电流表的示数逐渐增大后趋于稳定B．电压表的示数逐渐增大后趋于稳定C．充电完毕，电流表的示数为0D．充电完毕，电压表的示数为0BC

2．(2024·重庆卷)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”)的仪器。电压(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关系图如图乙所示。该过程为________(选填“充电”或“放电”)过程。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。0

放电0.32[解析]

(1)位置②与电容器并联，应接入测电压仪器。(2)电压表示数最大时，电容器充电完毕，电流表示数为0。(3)电容器放电时电压和电流都减小，充电时，电压增大，电流减小，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12

V，由题图丙可知t＝0.2

s时电容器两端电压U＝8

V，由题图乙可知当U＝8

V时，电流I＝40

mA，则电阻R0消耗的功率P＝8×40×10-3

W＝0.32

W。3．(2023·福建卷)某同学用图(a)所示的电路观察矩形波频率对电容器充放电的影响。所用器材有：电源、电压传感器、电解电容器C(4.7μF，10V)、定值电阻R(阻值2.0kΩ)、开关S、导线若干。(1)电解电容器有正、负电极的区别。根据图(a)，将图(b)中的实物连线补充完整。见解析图(2)设置电源，让电源输出图(c)所示的矩形波，该矩形波的频率为________Hz。40

(3)闭合开关S，一段时间后，通过电压传感器可观测到电容器两端的电压UC随时间周期性变化，结果如图(d)所示，A、B为实验图线上的两个点。在B点时，电容器处于________(选填“充电”或“放电”)状态；在________(选填“A”或“B”)点时，通过电阻R的电流更大。充电

B(4)保持矩形波的峰值电压不变，调节其频率，测得不同频率下电容器两端的电压随时间变化的情况，并在坐标纸上作出电容器上最大电压Um与频率f关系图像，如图(e)所示。当

f＝45Hz时电容器所带电荷量的最大值Qm＝_________C(结果保留两位有效数字)。(5)根据实验结果可知，电容器在充、放电过程中，其所带的最大电荷量在频率较低时基本不变，而后随着频率的增大逐渐减小。1.8×10-5[解析]

(1)根据电路图连接实物图，如图所示。

章末巩固(八)静电场题号135246879一、单选题1．(2025·陕晋青宁卷)某同学绘制了四幅静电场的电场线分布图，其中可能正确的是(

)√B

[静电场是由静止电荷产生的电场，电场线不交叉不闭合，匀强电场的电场线是等间距平行直线，A、C、D错误，B正确。]A

B

C

D

√题号135246879

题号1352468793．(2025·河南郑州一模)如图甲所示，A、B是电场中一条电场线上的两点，一个负点电荷从A由静止释放，仅在静电力的作用下从A运动到B，其运动的x-t图像为抛物线的一段，如图乙所示，则(

)A．A点的电场强度大于B点的电场强度B．A点的电势高于B点的电势C．该电荷在A点的电势能大于在B点的电势能D．该电荷在A点的加速度小于在B点的加速度√题号135246879C

[由图像可知，负电荷从A点运动到B点做加速运动，则动能增加，静电力做正功，则电势能减小，则该负电荷在A点的电势能大于在B点的电势能，A点电势低于B点电势，故C正确，B错误；该电荷运动的x-t图像为抛物线的一段，则点电荷做匀变速运动，该电荷在A点的加速度等于在B点的加速度，A点的电场强度等于B点的电场强度，故A、D错误。]题号135246879

√题号135246879

题号135246879

√题号135246879

题号135246879

√√题号135246879

题号135246879

√√题号135246879

题号135246879三、非选择题8．某同学用如图甲所示电路研究电容器的充放电规律，直流电源的电动势为6V。(1)将单刀双掷开关合向“1”，电流传感器记录电容器充电电流随时间变化规律如图乙所示，则图乙中图线与坐标轴所围的面积的物理意义为________________________。

题号135246879充电后电容器的带电荷量(2)充电结束时电容器两端的电压为U＝____V，结合图像面积可知，电容器的电容为C＝__________F(结果保留两位有效数字)。

(3)将单刀双掷开关合向“2”，得到放电电流随时间变化的图像，从图像上得到放电电流的最大值为I1，图线与坐标轴所围的面积为S1；将R调大，将开关合向“1”后再合向“2”，再次得到的放电电流随时间变化的图像，从图像上得到放电电流的最大值为I2，图线与坐标轴所围的面积为S2。则I1________