第九章 第7讲　实验 观察电容器的充、放电现象练习含答案-高考物理一轮专题

这是一份第九章 第7讲　实验 观察电容器的充、放电现象练习含答案-高考物理一轮专题，共14页。试卷主要包含了实验目的，实验过程，数据处理，误差分析，注意事项等内容，欢迎下载使用。
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I=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,电路中的电流逐渐减小,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,储存的电能释放出来,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.在做放电实验时,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1] 【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。
(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甲所示。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
(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变化如图乙中曲线所示,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”)。
【答案】 (1)正极 (2)C (3)R2 电荷量
【解析】 (1)电流从多用电表的红表笔流入,黑表笔流出,故用多用电表的电压挡检测电池的电压时,红表笔应该与电池的正极接触。
(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,回路立即形成电流,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R2;由q=It知,I-t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E(电动势6 V,内阻不计),电阻R1=400.0 Ω,电阻R2=200.0 Ω,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5 000 Hz,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0.018 8 C,则电容器的电容C为 μF。图丙中I-t曲线与横坐标、直线t=1 s所围面积对应电容器释放的电荷量为0.003 8 C,则t=1 s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)2.0×10-4 (2)15.0 (3)2
(4)4.7×103 5.2
【解析】 (1)采样周期为T=1f=2.0×10-4 s。
(2)由题图乙可知开关S1闭合瞬间流经电阻R1的电流为15.0 mA。
(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+R2·R2=2 V。
(4)充电结束后电容器两端电压为UC′=E=6 V,故可得放电过程释放的电荷量ΔQ=
C(UC′-UC)=0.018 8 C,解得C=4.7×103 μF。设t=1 s 时电容器两极板间电压为UC″,则C(UC′-UC″)=0.003 8 C,解得UC″≈5.2 V。
[例3] 【误差分析】 (2024·湖南二模)如图甲为“观察电容器的充、放电现象”实验。
实验器材:电源E(电动势9.50 V,内阻可忽略)、电容器C(标称电容值为470 μF,击穿电压为 10 V)、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0～160 s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。
(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 μF。(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0,始终保持在12 μA,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
②4.4×102 (4)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=9.5 V,由电容定义式可知C=QU=84×10×10-6×59.5 F≈
442 μF≈4.4×102 μF。
(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 μA,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,器材如下:
电容器C(额定电压10 V,电容标识不清);
电源E(电动势12 V,内阻不计);
电阻箱R1(阻值0～99 999.9 Ω);
滑动变阻器R2(最大阻值20 Ω,额定电流2 A);
电压表V(量程15 V,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 (选填“a”或“b”)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8.0 V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 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“D1”或“D2”)闪光。
【答案】 (1)b (2)6.5 (3)3.9×10-3
(4)4.9×10-4 (5)D1
【解析】 (1)滑动变阻器采用分压式接法,故滑片向b端滑动电容器充电电压升高。
(2)由题图乙可知,电压表量程为15 V,每个小格为 0.5 V,故示数为6.5 V。
(3)I-t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3.9×10-3 C。
(4)由电容的定义式C=QU得C≈4.9×10-4 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,D1导通,则发光二极管D1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可变电容器的结构,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,实验开始时电容器不带电。
(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)。
A B
C D
(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 。
(3)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, (选填“需要”或“不需要”)重新换一节新电池来测量。
【答案】 (1)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 C=εrS4πkd,当电容器正对面积迅速变大时,电容迅速增大,又由Q=CU,可得电容器的带电量Q增加,故电容器再次充电,充电结束后电流为0。故选A。
(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)本实验测量电容的原理是C=QU,电容器的带电量Q=It,可由步骤(1)所得的I-t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(2)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。
(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8 V,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。
(1)当开关S接到“1”时,电容器处于 过程;当开关S接到“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R0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 。
(3)图乙中阴影部分的面积S1 (选填“>”“