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(共37张PPT)
第八章
静电场
实验十　观察电容器的充、放电现象
实验知识·自主回顾
核心考点·重点突破
2年高考·1年模拟
实验知识·自主回顾
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。
二、实验原理
1．电容器的充电过程：
当S接1时，电容器接通电源，电容器上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，正极板由于失去负电荷而带正电，负极板由于获得负电荷而带负电，正、负极板所带电荷量大小相等，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等于电源电动势E时电荷停止移动，电流I＝0。
2．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正极板上的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、实验过程
1．实验步骤
(1)调节直流可调电源，输出为6 V，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，把单刀双掷开关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)把单刀双掷开关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。
2．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6 V
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
四、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。
核心考点·重点突破
考点一
教材原型实验
(2023·广东高三月考)利用高电阻放电法研究电容器的充放电，实验是利用高阻值电阻延长放电时间，绘制电容器放电电流与时间的i－t图像来研究电容器的充放电规律。
某同学先按图甲所示电路连接好实验电路，然后继续实验操作如下：
例1
(1)先接通开关S1、S2，调节电阻箱R的阻值，使微安表的指针偏转接近满刻度，记下这时微安表的示数i0＝500 μA，电压表的示数U0＝3.0 V，此时电阻箱R的阻值为3.5 kΩ。则微安表的内阻为_________ kΩ。
(2)断开开关S2，同时开始计时，每隔5 s或10 s读一次电流i的值，将测得数据填入预先设计的表格中，根据表格中的数据在坐标纸上标出以时间t为横坐标，电流i为纵坐标的点。描绘出电流随时间变化的图线如图乙所示，根据图线估算出该电容器在整个放电过程中放出的电荷量Q约为_______________C。(结果保留两位有效数字)
8.0×10－3
2.5
(3)考虑到电压表也是高电阻，某同学设计了如图所示的电路来探究电容器两极板间电势差跟所带电荷量的关系，其中E＝3 V，C＝3 000 μF，先把开关S1接1，给电容器A充电，可以看到电容器A充电后数字电压表示数为U，把开关S1接2，可以看到电压表示数变为0.5U，断开开关S1，闭合开关S2，让电容器B的两极板完全放电，随后再断开开关S2，把S1再次接到2、电压表示数再次减少一半，还可以继续这样操作……
下列说法正确的是_________。
CDE
A．电压表也可以用静电计来代替
B．电容器的电容与其电荷量成正比，与电压成反比
C．电容器两极板之间的电压与其电荷量成正比
D．一个电容器所带的电荷量Q与两极板之间的电势差U之比是不变的
E．由于电压表有电流流过，会造成放电，可以在电压表支路中串联一个开关，读数时才短暂闭合
(2)图线与时间轴所围成的面积即为放电过程放出的电荷量，我们数出的方格数为32，(注意数的时候大于半个格就算一个格，小于半个格的不算)而每个小格的电荷量
q＝50 μA×5 s＝2.5×10－4 C
则放电的总电荷量为Q＝32q＝32×2.5×10－4 C＝8.0×10－3 C。
考点二
实验拓展创新
鉴于高考实验题一般源于教材而不拘泥于教材，是在教材实验的基础上创设新情境。本实验新调为学生分组实验，会成为高考命题的新增热点。本实验的创新角度主要是实验器材的创新。
(2023·广东高三阶段练习)某同学用电流传感器和电压传感器研究电容器的放电情况，按图连接电路。实验时，先将开关S与1端相连，待电路稳定后，将开关掷向2端，传感器将信息传入计算机，屏幕上可以显示出电流、电压随时间变化的i－t图线、u－t图线。
例2
(1)由图可知，传感器2应为______传感器(选填“电流”或“电压”)。
(2)计算机屏幕上显示的i－t图线可能为图中的___，u－t图线可能为图中的___。
电压
B
D
(3)结合屏幕显示的i－t图线、u－t图线信息，可以估算出______。
A．电容器的电容
B．电容器储存的电荷量
AB
2年高考·1年模拟
1.(2023·浙江高三阶段练习)“探究影响平行板电容器电容大小因素”的实验装置如题图所示，则下列说法正确的是( 　　)
A．平行板电容器左极板上移时，静电计指针偏角减小
B．平行板电容器左极板左移时，静电计指针偏角减小
C．平行板电容器中间插入一层薄的导体材料，静电计指针偏角减小
D．静电计测量的是电势差，所以也可以用电压表替代
C
2．(2023·福建漳州模拟预测)利用如图所示的电路观察电容器的充放电现象。先将选择开关合到“1”，使电容器充电至稳定后进行如下两种操作：
(1)若将开关S合到“2”，则二极管______ (选填“D1”或“D2”)发光(如图中D1通过向上电流时可发光，D2反之)；
(2)保持开关S合在“1”，适当增大电容器两极板间距离的过程中，二极管______ (选填“D1”或“D2”)发光。
D1
D1
[解析](1)先将选择开关合到“1”，使电容器充电至稳定后，则电容器的上极板带正电，下极板带负电；若将开关S合到“2”后，此时电容器上极板相当于电源正极，电容器上极板分别与D1的正极、与D2的负极相连，所以二极管D1通路，D1发光。
(2)保持开关S合在“1”，适当增大电容器两极板间距离的过程中，增大两板间距离时，电容减小，电压不变，由Q＝UC可知电荷量应减小，所以则会形成反向放电，电流为逆时针，依题意，二极管D1通路、D2不通，故D1发光。
3．(2022·北京西城区高三月考)在“用传感器观察电容器的充放电过程”实验中，按图1所示连接电路。电源电动势为8.0 V，内阻可以忽略。单刀双掷开关S先跟2相接，某时刻开关改接1，一段时间后，把开关再改接2，实验中使用了电流传感器来采集电流随时间的变化情况。
(1)开关S改接2后，电容器进行的是______(选填“充电”或“放电”)过程。此过程得到的I－t图像如图2所示，图中用阴影标记的狭长矩形的面积的物理意义是______________________________。如果不改变电路其他参数，只减小电阻R的阻值，则此过程的I－t曲线与坐标轴所围成的面积将______(选填“减小”“不变”或“增大”)。
(2)若实验中测得该电容器在整个放电过程中释放的电荷量Q＝3.44×10－3 C，则该电容器的电容为_________ μF。
放电
0.2 s内电容器放出的电荷量
不变
430
(3)关于电容器在整个充、放电过程中的q－t图像和UAB－t图像的大致形状，可能正确的有______(q为电容器极板所带的电荷量，UAB为A、B两板的电势差)。
AD
[解析](1)将开关S接通1，电容器与电源相连，所以电容器充电；再将S接通2，电容器通过电阻R放电。
图中横坐标分成许多很小的时间间隔，在这些很小的时间间隔里，放电电流可以视为不变，则IΔt为这段时间内的电荷量，所以图中用阴影标记的狭长矩形的面积的物理意义是0.2 s内电容器放出的电荷量。根据Q＝CU，电荷量与电阻值R无关，如果不改变电路其他参考数，只减小电阻R的阻值，则此过程的I－t曲线与坐标轴所围成的面积将不变。

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