实验十二 观察电容器的充、放电现象\n必备知识·自主排查关键能力·分层突破\n必备知识·自主排查\n一、实验目的1．知道电容器的构造．2．根据电路图正确连接实物图，认真观察电容器充、放电的实验现象．\n二、实验原理及设计1．电容器的充电过程：当S接1时，电容器接通电源，与电源正极相接，电容器极板的自由电子在电场力的作用下将经过电源移到与电源负极相接的下极板，正极由于失去负电荷而带正电，负极由于获得负电荷而带负电，正、负极板所带电荷大小相等，符号相反，如图甲所示．电荷定向移动形成电流，由于同性电荷的排斥作用，所以开始电流最大，以后逐渐减小，在电荷移动过程中，电容器极板储存的电荷不断增加，电容器两极板间电压U等于电源电压E时电荷停止移动，电流I＝0.\n2．电容器的放电过程：当S接2时，电容器的两极板用导线连接起来，电容器C正极板正电荷与负极板上的负电荷中和，两极板的电荷量逐渐减少，表现为电流逐渐减小，电压也逐渐减小为零(如图乙所示)．三、实验器材电源、电阻、单刀双掷开关、平行板电容器、电流表和电压表．\n四、实验过程1．实验步骤(1)调节直流可调电源，输出为6V，并用多用电表校准．(2)关闭电源开关，正确连接实物图，电路图如图．(3)打开电源，把双联开关S打到上面，使触点1和触点2连通，观察电容器的充电现象，并将结果记录在数据处理的表格中．(4)把双联开关S打到下面，使触点3和触点2连通，观察电容器的放电现象，并将结果记录在数据处理的表格中．(5)记录好实验结果，关闭电源．\n2．数据处理实验项目实验现象电容器充电灯泡亮度由明到暗最后熄灭电流表1读数由大到小最后为零电压表读数由小到大最后为6V电容器放电灯泡亮度由明到暗最后熄灭电流表2读数由大到小最后为零电压表读数由大到小最后为零\n五、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)实验过程中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．\n关键能力·分层突破\n考点一 教材原型实验例1[2022·江苏省扬州市高三联考]某同学通过实验观察电容器的放电现象，采用的实验电路如图甲所示，已知所用电解电容器的长引线是其正极，短引线是其负极．(1)按图甲连接好实验电路，开关S应先接到________，再接到________(选填“1”或“2”)，观察电容器的放电现象．12解析：连接好电路图，开关S应先接到1对电容器进行充电，再接到2使电容器放电，观察电容器的放电现象．\n(2)根据图甲电路，请在图乙中用笔画线代替导线，完成实物电路的连接．答案：如图所示\n解析：根据图甲所示电路图连接实物电路图，注意电容器正极接电流表正接线柱，实物电路图如图所示．\n(3)电容器开始放电，同时开始计时，每隔5s读一次电流i的值，记录数据如下表．请根据表中的数据，在图丙中作出电流i随时间t变化的图线．时间t/s0510152025303540455055电流i/μA5003922702091581017549302393答案：如图所示\n解析：根据表中实验数据在图丙中描出对应点，然后画一条平滑曲线，让尽可能多的点过曲线，不能过曲线的点大致均匀分布在曲线两侧，作出图像如图所示．\n【跟进训练】1.电容器作为储能器件，在生产生活中有广泛的应用．对给定电容值为C的电容器充电，无论采用何种充电方式，其两极间的电势差u随电荷量q的变化图像都相同．\n(1)请在图甲中画出上述u-q图像．类比直线运动中由v-t图像求位移的方法，求两极间电压为U时电容器所储存的电能Ep；答案：u-q如图所示Ep＝CU2\n解析：u-q图线如图所示电压为U时，电容器带电Q，图线和横轴围成的面积表示所储存的电能EpEp＝QU，又Q＝CU故Ep＝CU2.\n(2)在如图乙所示的充电电路中，R表示电阻，E表示电源(忽略内阻)．通过改变电路中元件的参数对同一电容器进行两次充电，对应的q-t曲线如图丙中①②所示．a．①②两条曲线不同是________(选填“E”或“R”)的改变造成的；b．电容器有时需要快速充电，有时需要均匀充电．依据a中的结论，说明实现这两种充电方式的途径；_______________________________________________________________R减小电阻R，可以实现对电容器更快速充电；增大电阻R，可以实现更均匀充电．\n解析：a.由图像知，电容器充完电后，①②两次电荷量相等，说明两次电源电动势相等，Q＝CU＝CE.故①②两条曲线不同不是E的改变造成的，只能是R的改变造成的．b．刚开始充电瞬间，电容器两端的电压为零，电路的瞬时电流为I＝，故减小电阻R，刚开始充电瞬间电流I大．曲线上该点切线斜率大，即为曲线①.这样能在较短时间内，使电荷量达到最大，故可以实现对电容器快速充电．增大电阻R，刚开始充电瞬间电流I小，即为曲线②，该曲线接近线性，可以实现均匀充电．\n(3)设想使用理想的“恒流源”替换(2)中电源对电容器充电．可实现电容器电荷量随时间均匀增加．请思考使用“恒流源”和(2)中电源对电容器的充电过程，填写下表(选填“增大”“减小”或“不变”)．“恒流源”(2)中电源电源两端电压通过电源的电流“恒流源”(2)中电源电源两端电压增大不变通过电源的电流不变减小答案：\n解析：接(2)中电源时，由于忽略电源E的内阻，故电源两端电压不变．通过电源的电流I＝，随着电容器两端电压U不断变大，通过电源的电流减小．“恒流源”是指电源输出的电流恒定不变．接“恒流源”时，随着电容器两端电压的增大，“恒流源”两端电压增大．\n考点二 拓展创新型实验例2图甲是一种测量电容的实验电路图，实验是通过对高阻值电阻放电的方法，测出电容器充电至电压U时所带电荷量Q，从而再求出电容器的电容C.某同学在一次实验时的情况如下：接通开关S，调节电阻箱R的阻值，使小量程电流表的指针偏转接近满刻度，记下此时电流表的示数I0＝490μA，电压表的示数U0＝8.0V，I0、U0分别是电容器放电时的初始电压和电流．断开开关S，同时开始计时，每隔5s测读一次电流I的值，将测得数据填入表格，并标在图乙坐标纸上(时间t为横坐标、电流i为纵坐标)，结果如图中小黑点“·”所示．\n(1)在图乙中画出i-t图线，图线与坐标轴所围成面积的物理意义是____________________________．(2)该电容器电容为________F(结果保留两位有效数字)．(3)若某同学实验时把电压表接在F、D两端，则电容的测量值比它的真实值________(选填“大”“小”或“相等”)．电容器在开始放电时所带的电荷量1.1×10－3小解析：(1)由ΔQ＝IΔt知，电荷量为i-t图线与坐标轴所包围的面积，则图线与坐标轴所围的面积为电容器在开始放电时所带的电荷量．(2)查出格子数，由总格子数乘以每个格子的“面积”值得Q＝8.8×10－3C，则C＝＝F＝1.1×10－3F.(3)电容的测量值比它的真实值偏小，原因是若把电压表接在F、D两端，则电容器在放电时，有一部分电荷量会从电压表中通过，使得通过电流表中的电荷量小于电容器的带电量，从而使电容的测量值比它的真实值偏小．\n【跟进训练】2.在测定电容器电容值的实验中，将电容器、电压传感器、阻值为3kΩ的电阻R、电源、单刀双掷开关按图甲所示电路图进行连接．先使开关S与1端相连，电源向电容器充电，充电完毕后把开关S掷向2端，电容器放电，直至放电完毕．实验得到的与电压传感器相连接的计算机所记录的电压随时间变化的u-t曲线如图乙所示，图丙为由计算机对图乙进行数据处理后记录了“峰值”及曲线与时间轴所围“面积”的图．\n(1)根据图甲所示的电路，观察图乙可知：充电电流与放电电流方向________(选填“相同”或“相反”)，大小都随时间________(选填“增加”或“减小”)．(2)该电容器的电容值为________F．(结果保留两位有效数字)相反减小1.0×10－2解析：(1)根据图甲所示的电路，观察图乙可知：充电电流与放电电流方向相反，大小都随时间减小．(2)根据欧姆定律I＝，图像的面积表示Ut，可知图像面积与R的比值表示电荷量．故极板所带最大电荷量q＝C＝0.0609C，该电容器的电容值C＝＝F＝1.0×10－2F.\n(3)某同学认为：仍利用上述装置，将电压传感器从电阻两端改接在电容器的两端，也可以测出电容器的电容值．请你分析并说明该同学的说法是否正确．解析：正确．因为当开关S与2连接，电容器放电的过程中，电容器C与电阻R上的电压大小相等，因此通过对放电曲线进行数据处理后记录的“峰值Um”及曲线与时间轴所围“面积S”，可应用C＝＝计算电容值．
