新人教版實驗十觀察電容器的充放電現(xiàn)象學(xué)案

實驗十觀察電容器的充、放電現(xiàn)象必備知識·自主落實一、基本原理與操作原理裝置圖操作要領(lǐng)1.電容器的充電過程開關(guān)S接1時，電源給電容器充電，電容器帶電量、電壓逐漸增大，電流逐漸減小，最后電流為零，如圖甲所示．2．電容器的放電過程開關(guān)S接2時，電容器負(fù)極板上負(fù)電荷與正極板上正電荷中和，兩極板的電荷量逐漸減小，電流逐漸減小，最后電壓也逐漸減為零，如圖乙所示．二、實驗過程1．調(diào)節(jié)直流可調(diào)電源，輸出為6V，并用多用電表校準(zhǔn)．2．關(guān)閉電源開關(guān)，正確連接實物圖，電路圖如圖．3．打開電源，把雙擲開關(guān)S打到上面，使觸點1和觸點2連通，觀察電容器的充電現(xiàn)象，并將結(jié)果記錄在數(shù)據(jù)處理的表格中．4．把雙擲開關(guān)S打到下面，使觸點3和觸點2連通，觀察電容器的放電現(xiàn)象，并將結(jié)果記錄在數(shù)據(jù)處理的表格中．5．記錄好實驗結(jié)果，關(guān)閉電源．三、數(shù)據(jù)處理實驗項目實驗現(xiàn)象電容器充電燈泡亮度由明到暗最后熄滅安培表1讀數(shù)由大到小最后為零電壓表讀數(shù)由小到大最后為6V電容器放電燈泡亮度由明到暗最后熄滅安培表2讀數(shù)由大到小最后為零電壓表讀數(shù)由大到小最后為零四、注意事項1．電流表要選用小量程的靈敏電流表．2．要選擇大容量的電容器．3．實驗過程要在干燥的環(huán)境中進(jìn)行．4．在做放電實驗時，在電路中串聯(lián)一個電阻，避免燒壞電流表．關(guān)鍵能力·精準(zhǔn)突破考點一教材原型實驗例1[2023·江蘇省揚州市高三聯(lián)考]某同學(xué)通過實驗觀察電容器的放電現(xiàn)象，采用的實驗電路如圖甲所示，已知所用電解電容器的長引線是其正極，短引線是其負(fù)極．(1)按圖甲連接好實驗電路，開關(guān)S應(yīng)先接到________，再接到________(選填“1”或“2”)，觀察電容器的放電現(xiàn)象．(2)根據(jù)圖甲電路，請在圖乙中用筆畫線代替導(dǎo)線，完成實物電路的連接．(3)電容器開始放電，同時開始計時，每隔5s讀一次電流i的值，記錄數(shù)據(jù)如下表．時間t/s0510152025303540455055電流i/μA5003922702091581017549302393請根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在圖丙中作出電流i隨時間t變化的圖線．[解題心得]針對訓(xùn)練1.在“觀察電容器的充、放電現(xiàn)象”實驗中，對給定電容值為C的電容器充電后放電，無論采用何種放電方式，其兩極間的電勢差u隨電荷量q的變化圖像都相同．(1)請在圖甲中畫出上述u－q圖像．類比直線運動中由v－t圖像求位移的方法，可以推導(dǎo)出兩極間電壓為U時電容器所儲存的電能Ep＝________(用C和U表示)．(2)在如圖乙所示的放電電路中，R表示電阻阻值．通過改變電路中元件的參數(shù)對同一電容器用相同的電壓充電后進(jìn)行兩次放電，對應(yīng)的q－t圖像分別如圖丙中①、②所示．a(chǎn).①、②兩圖像不同是________的改變造成的；b．在實際應(yīng)用中，有時需要電容器快速放電，有時需要電容器均勻放電．依據(jù)a中的結(jié)論，說明實現(xiàn)這兩種放電方式的途徑________________________________．(3)如圖丁所示，若某電容器的額定電壓為V，電容為10F，其充滿電后儲存的電能為________J(計算結(jié)果保留3位有效數(shù)字)．考點二探索創(chuàng)新實驗例2[2023·江蘇南京模擬]某課外興趣小組用如圖甲所示的電路觀察電容器的充、放電現(xiàn)象，并測量電容器的電容．(1)粗略觀察電容器充、放電的電流大小和方向時，應(yīng)選擇表頭為________(選填“乙”或“丙”)圖中的電表．(2)放電時，流經(jīng)電阻R的電流________(選填“向左”或“向右”)．(3)為了能精確測量電容器的電容，將甲圖中電流表換成電流傳感器測量電流，并根據(jù)電路圖，連接圖丁中的實物圖．(4)電容器放電過程中，電流隨時間變化的規(guī)律如圖戊所示，計算機得出i－t圖像與時間軸所圍的區(qū)域面積為mA·s，電阻R為500Ω，直流電源電壓恒為2V，該電容器電容為________μF(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)．(5)僅將R為500Ω的電阻改為1000Ω的，電流傳感器內(nèi)阻不計，重新觀察電容放電曲線，請在圖戊中大致畫出電阻為1000Ω時的放電曲線．針對訓(xùn)練2.[2023·湖南省株洲市高三檢測](多選)利用圖甲所示電路可研究電容器的充、放電．圖乙為某次實驗中通過計算機在同一圖中描畫出的電壓和電流的變化情況，陰影部分Ⅰ和Ⅱ的面積分別為S1、S2.可以推斷出()A．圖乙反映了電容器充電時的情況B．S1表示極板電壓為5V時所帶的電荷量C．S1＝S2D．定值電阻R的阻值實驗十觀察電容器的充、放電現(xiàn)象關(guān)鍵能力·精準(zhǔn)突破例1解析：(1)連接好電路圖，開關(guān)S應(yīng)先接到1對電容器進(jìn)行充電，再接到2使電容器放電，觀察電容器的放電現(xiàn)象．(2)根據(jù)圖甲所示電路圖連接實物電路圖，注意電容器正極接電流表正接線柱，實物電路圖如圖所示．(3)根據(jù)表中實驗數(shù)據(jù)在圖丙中描出對應(yīng)點，然后畫一條平滑曲線，讓盡可能多的點過曲線，不能過曲線的點大致均勻分布在曲線兩側(cè)，作出圖像如圖所示．答案：(1)12(2)圖見解析(3)圖見解析1．解析：(1)由電容的定義式可知C＝QU，則u-q圖像為過原點的斜率恒定的直線，如圖所示，圖像和橫軸圍成的面積表示電容器儲存的電能，則Ep＝12qU，又由電容的定義式有C＝QU＝qU，則有Ep＝(2)a.因為兩次放電是同一電容器用相同電壓充電后的放電，由Q＝CU可知兩次放出的總電荷量相等，故①、②兩條曲線不同只能是R的改變造成的．b.R較小時，剛開始放電瞬間電流I大，圖像在該點切線斜率大，對應(yīng)圖像①，短時間內(nèi)放出的電荷量更多，故減小R可以實現(xiàn)電容器快速放電；R較大時，放電瞬間電流I小，對應(yīng)圖像②，故增大R可以實現(xiàn)均勻放電．(3)根據(jù)公式有Epmax＝12CUmax2＝12×10×2答案：(1)12CU2(2)a.Rb．減小R可以實現(xiàn)電容器快速放電，增大R可以實現(xiàn)均勻放電(3例2解析：(1)乙圖中電表可以測量正、反雙向電流，而丙圖中電表只能測量正向電流，反向電流可能導(dǎo)致電表燒壞，由于剛開始測量時不知道電流的方向，因此粗略觀察電容器充、放電的電流大小和方向時，應(yīng)選擇乙圖中電表．(2)電容器充電時，電容器左側(cè)接的是電源正極，左極板帶正電荷，因此電容器放電時電流為順時針方向，故流經(jīng)電阻R的電流向右．(3)根據(jù)電路圖，連接的實物圖，如圖(a)所示．(4)根據(jù)Q＝It可知i-t圖像與時間軸所圍的區(qū)域面積即為通過電阻R的電荷量，所以Q＝mA·s＝×10－4C，因此C＝QU＝8.69×10-4C(5)僅將R為500Ω的電阻改為1000Ω的，其他器件參數(shù)不變化，且電流傳感器內(nèi)阻不計時，充電完成后電容器極板上儲存的總電荷量不變，因此R為1000Ω時i-t圖像與時間軸所圍的區(qū)域面積與R為500Ω時的相同，電容器放電時由于R增大，初始放電電流會減小，因此電阻為1000Ω時的放電曲線，如圖(b)所示．答案：(1)乙(2)向右(3)見解析圖(a)(4)435(5)見解析圖(b)2．解析：由圖乙可知電容器兩端的電壓在不斷地減小，即電容器處于放電的狀態(tài)，故A錯誤；在i-t圖像中，圖線與橫軸所圍面積表示在一段時間內(nèi)通過導(dǎo)線某一橫截面的