高中物理人教版 (2019)必修 第三册3 实验：电池电动势和内阻的测量第2课时教案

第2课时　实验：观察电容器的充、放电现象

1.实验原理

(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，在静电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(填“大”或“小”)，以后随着极板上电荷的增多，电流逐渐减小(填“增大”或“减小”)，当电容器两极板间电压等于电源电压时电荷停止移动，电流I＝0。

(2)电容器的放电过程

如图所示，当开关S接2时，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，放电开始电流较大(填“大”或“小”)，随着两极板上的电荷量逐渐减小，电路中的电流逐渐减小(填“增大”或“减小”)，两极板间的电压也逐渐减小到零。

2.实验器材

6 V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。

3.实验步骤

(1)按图连接好电路。

(2)把单刀双掷开关S打在上面，使触点1和触点2连通，观察电容器的充电现象，并将结果记录在表格中。

(3)将单刀双掷开关S打在下面，使触点3和触点2连通，观察电容器的放电现象，并将结果记录在表格中。

(4)记录好实验结果，关闭电源。

实验记录和分析：

4.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。

核心要点 　电容器充、放电现象的定性分析

[观察探究]

按如图所示电路连接好器材，使开关S先后接触a、b，观察电流表指针的偏转情况。

请思考以下几个问题：

(1)当S先后接a和接b时，会观察到电流表指针的偏转情况是怎样的呢？

(2)电容器的工作过程是怎样的？工作过程中能量是如何转化的？

(3)电容器的带电量Q与两极板间的电压U有什么关系？反映了电容器怎样的特性？怎样描述？

答案　(1)当S接a时，电流表指针发生偏转；当S接b时，电流表指针反向偏转。

(2)①充电过程和放电过程。

②充电过程中其他形式的能转化为电能，放电过程中电能转化为其他形式的能。

(3)电容器两极板间的电势差随电荷量的增加而增加，电荷量和电势差成正比，它们的比值是一个恒量，每一个电容器都有一个属于自己的常数，与所带电荷量的多少无关。这个比值反映了电容器容纳电荷的能力大小，因此可用描述电容器容纳电荷本领的大小即电容器的电容C＝。

[探究归纳]

电容器的工作基础

(1)充电：使电容器的极板上带上电荷的过程称为充电，充电后两极板带等量异种电荷，充电过程，带电荷量Q逐渐增大，板间电压U增大，板间电场强度E增大。

(2)放电：使充电后的电容器不带电荷的过程叫作放电，放电过程，带电荷量Q减小，板间电压U减小，板间电场强度E减小。

[试题案例]

[例1] 如图所示实验中，关于平行板电容器的充、放电，下列说法正确的是(　　)

A.开关接1时，平行板电容器充电，且上极板带正电

B.开关接1时，平行板电容器充电，且上极板带负电

C.开关接2时，平行板电容器充电，且上极板带正电

D.开关接2时，平行板电容器充电，且上极板带负电

解析　开关接1时，平行板电容器充电，上极板与电源正极相连而带正电，A正确，B错误；开关接2时，平行板电容器放电，放电结束后上、下极板均不带电，C、D错误。

答案　A

方法归纳　电容器的充电和放电

(1)充电：把电容器的两个极板与电源的正负极相连，使两个极板上带上等量异号电荷的过程。充电后，跟电源正极相连的极板带正电，跟电源负极相连的极板带负电。充电过程如图甲所示。

(2)放电：用导线把充电后的电容器的两个极板接通，两个极板上的电荷中和，电容器失去电荷的过程。放电后，电容器任一极板带电荷量均为零。放电过程如图乙所示。

　甲　　　　　　　 乙

核心要点 　电容器充、放电现象的定量计算

[试题案例]

[例2] 电流传感器可以像电流表一样测量电流，不同的是反应比较灵敏，且可以和计算机相连，能画出电流与时间的变化图像。图甲是用电流传感器观察充、放电过程的实验电路图，图中电源电压为6 V。

先使开关S与1接通，待充电完成后，把开关S再与2接通，电容器通过电阻放电，电流传感器将电流信息传入计算机，显示出电流随时间变化的I－t图像如图乙所示。根据图像估算出电容器全部放电过程中释放的电荷量为________C，该电容器电容为________μF。(均保留3位有效数字)

解析　根据题图乙的含义，因Q＝It，可知图形与时间轴围成的面积表示电荷量；根据横轴与纵轴的数据可知，一个格子的电荷量为8×10－5 C，由大于半格算一个，小于半格舍去，因此图像所包含的格子个数为38，所以释放的电荷量为q＝8×10－5 C×38＝3.04×10－3 C。根据电容器的电容C＝可知，C＝ F≈5.07×10－4 F＝507 μF。

答案　3.04×10－3　507

1.(多选)关于电容器的充、放电，下列说法中正确的是(　　)

A.充、放电过程中外电路有瞬间电流

B.充、放电过程中外电路有恒定电流

C.充电过程中电源提供的电能全部转化为内能

D.放电过程中电容器中的电场能逐渐减少

解析　电容器充、放电过程中会有电荷发生定向移动，电路产生变化的瞬间电流，电容器充、放电结束，电流消失，A正确，B错误；充电过程中电源提供的电能部分转化为电容器的电场能，C错误；放电过程中电容器中的电场能转化为其他形式的能，D正确。

答案　AD

2.据国外某媒体报道，科学家发明了一种新型超级电容器，能让手机几分钟内充满电。某同学假日登山途中，用该种电容器给手机电池充电，下列说法正确的是(　　)

A.该电容器给手机电池充电时，电容器的电容变大

B.该电容器给手机电池充电时，电容器存储的电能变少

C.该电容器给手机电池充电时，电容器所带的电荷量可能不变

D.充电结束后，电容器不带电，电容器的电容为零

解析　电容是描述电容器容纳电荷的本领大小的物理量，与电容器的电压及电荷量无关，故A、D错误；当该电容器给手机电池充电时，电容器存储的电荷量减小，则电能变少，故B正确，C错误。

答案　B

3.(多选)如图所示是一个由电源、电阻R与平行板电容器组成的串联电路，在增大电容器两极板间距离的过程中，下列说法正确的是(　　)

A.电容器充电

B.电容器放电

C.电阻R中有从a流向b的电流

D.电阻R中有从b流向a的电流

解析　解题关键是电容器与电源相连，其电压不变。由C＝可知，当d增大时，C减小，而电容器始终与电源相连，故U不变，由C＝可知，Q变小，即电容器将放电，电流从a流向b。故正确答案为B、C。

答案　BC

4.如图所示，将平行板电容器接在电池组两极间，两板间的带电尘埃恰好处于静止状态。若将两板缓慢地错开一些，其他条件不变，则(　　)

A.电容器带电荷量不变

B.电源中将有电流从正极流出

C.尘埃仍静止

D.电流计中将有电流，电流方向为b→a

解析　电容器与电池组连接，其电压不变，带电尘埃静止，静电力与重力平衡，qE＝mg，两极板错开时电场强度不变，故C正确；因电容减小，由Q＝CU，知电荷量Q减小，电容器放电，电流方向为a→b，A、B、D错误。

答案　C

5.电流传感器可以把电容器放电电流随时间变化规律描绘出来。一个电容器先把它接到8 V的电源上充电，然后通过电流传感器放电，其电流随时间变化图像如图所示。由图线和坐标轴所围的面积知道电容器放电前所带的电荷量，已知如图所围的面积约为40个方格，由图可算出电容器的电容为________F。

解析　根据Q＝It以及图像的含义可知，图线与时间轴所围成的面积表示电荷量，则可知：电荷量q＝40×0.2×10－3×0.4 C＝3.2×10－3 C，电容器的电容C＝＝4×10－4 F。

答案　4×10－4