第四講　實驗：觀察電容器的充、放電現(xiàn)象

第四講實驗：觀察電容器的充、放電現(xiàn)象

[把握經(jīng)典實驗方案]一、基本原理與操作原理電路圖操作要領(lǐng)觸點1、2連通，給電容器充電，觸點2、3連通，電容器放電1.安裝：斷開開關(guān)S，根據(jù)電路圖正確連接實物圖，注意各電表的“＋、－”接線柱的接法及量程。2.操作：觀察電容器充電、放電時燈泡的亮暗變化和各電表示數(shù)的變化情況二、實驗核心關(guān)鍵點1．理清充放電過程2．觀察實驗現(xiàn)象[融通多彩實驗方案]1．魯科版新教材——觀察電容器的充、放電現(xiàn)象實驗電路圖：[要點解讀](1)電壓表、電解電容器正、負極不能接反。(2)連接電路時開關(guān)要斷開，電壓表量程選擇適當。2．粵教版新教材——觀察電容器的充、放電現(xiàn)象實驗電路圖：[要點解讀](1)用電流傳感器和電壓傳感器采集電容器充電、放電過程中電流、電壓的數(shù)據(jù)傳輸給計算機，得出I-t、U-t圖線。(2)利用I-t圖線與t軸所圍面積表示電容器充、放電的電荷量Q，從而尋找Q與U的關(guān)系。[歸納共性實驗關(guān)鍵]1．不變的實驗原理通過觀察連接在回路中的電流表和電壓表示數(shù)變化，得出電容器充、放電過程的特點。2．必備的實驗器材直流電源、導線、單刀雙擲開關(guān)、電容器、定值電阻、電流表(電流傳感器)、電壓表(電壓傳感器)。3．共同的注意事項(1)連接電路時注意電流表和電壓表的正、負極和量程。(2)對電解電容器也要注意正、負極。(3)要選擇電容較大的電容器。(4)實驗過程要在干燥的環(huán)境中進行?？挤ㄒ粚嶒炘砼c操作1．電容器作為儲能器件，在生產(chǎn)生活中有廣泛的應(yīng)用。對給定電容值為C的電容器充電，無論采用何種充電方式，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1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，求兩極間電壓為U時電容器所儲存的電能Ep。(2)在如圖2所示的充電電路中，R表示電阻，E表示電源(忽略內(nèi)阻)。通過改變電路中元件的參數(shù)對同一電容器進行兩次充電，對應(yīng)的q-t曲線如圖3中①②所示。a．①②兩條曲線不同是________(選填“E”或“R”)的改變造成的；b．電容器有時需要快速充電，有時需要均勻充電。依據(jù)a中的結(jié)論，說明實現(xiàn)這兩種充電方式的途徑。(3)設(shè)想使用理想的“恒流源”替換(2)中電源對電容器充電，可實現(xiàn)電容器電荷量隨時間均勻增加。請思考使用“恒流源”和(2)中電源對電容器的充電過程，填寫下表(選填“增大”“減小”或“不變”)。

“恒流源”(2)中電源電源兩端電壓

通過電源的電流

“恒流源”(2)中電源電源兩端電壓增大不變通過電源的電流不變減小[關(guān)鍵點撥](1)電容器充電時電流流向正極板，電容器放電時電流從正極板流出，且充、放電時電流均逐漸減小至零。(2)電容器充、放電過程中，電容器的電容保持不變，極板帶電荷量和電壓成正比關(guān)系變化。(3)在U-q圖像中斜率表示電容的倒數(shù)，圖線和橫坐標圍成的面積表示所儲存的電勢能Ep。

考法二數(shù)據(jù)處理和誤差分析3.如圖甲所示是用高電阻放電法測電容的實驗電路圖。其原理是測出電容器在充電電壓為U時所帶的電荷量Q，從而求出其電容C。該實驗的操作步驟如下：(1)按電路圖連接好實驗電路；(2)接通開關(guān)S，調(diào)節(jié)電阻箱R的阻值，使微安表的示數(shù)接近滿刻度，記下這時的電壓表讀數(shù)U0＝6.2V和微安表讀數(shù)I0＝490μA；(3)斷開開關(guān)S并同時開始計時，每隔5s或10s讀一次微安表的讀數(shù)i，將讀數(shù)記錄在預先設(shè)計的表格中；(4)根據(jù)表格中的12組數(shù)據(jù)，以t為橫坐標，i為縱坐標，在坐標紙上描點(圖中用“×”表示)，如圖乙所示。根據(jù)以上實驗結(jié)果和圖像，可以估算出當電容器兩端電壓為U0時該電容器所帶的電荷量Q0約為______C，從而算出該電容器的電容約為________F。答案：8×10－3

1.3×10－3[關(guān)鍵點撥](1)在i-t圖像中，圖線與坐標軸所圍成的面積表示電容器的電荷量。求解該面積時，可以畫上小方格，利用查小方格的方法計算。(2)在同一電源和電容器組成的電路中，電容器充電后電容器的電荷量為定值，即i-t圖像中，圖線與坐標軸圍成的面積不變。

[例1]

用下列器材測量電容器的電容：一塊多用電表，一臺直流穩(wěn)壓電源，一個待測電容器(額定電壓16V)，定值電阻R1＝100Ω，定值電阻R2＝150Ω，電流傳感器，數(shù)據(jù)采集器和計算機，單刀雙擲開關(guān)S，導線若干。實驗過程如下：實驗次數(shù)實驗步驟第1次①將電阻R1等器材按照圖甲正確連接電路，將開關(guān)S與1端連接，電源向電容器充電②將開關(guān)S擲向2端，測得電流隨時間變化的i-t曲線如圖乙所示第2次③用電阻R2替換R1，重復上述實驗步驟①②，測得電流隨時間變化的i-t曲線如圖丙中的某條虛線所示說明：兩次實驗中電源輸出的直流電壓恒定且相同請完成下列問題：(1)第1次實驗中，電阻R1兩端的最大電壓U＝____V。利用計算機軟件測得i-t曲線和兩坐標軸所圍的面積為90mA·s，已知電容器放電時其內(nèi)阻可以忽略不計，則電容器的電容為C＝________F。(2)第2次實驗中，電流隨時間變化的i-t曲線應(yīng)該是圖丙中的虛線________(選填“b”“c”或“d”)，判斷依據(jù)是________________________________________________________________________________________________________________。[答案]

(1)9

1×10－2

(2)c兩次放電電荷量相等，圖線與t軸圍成部分的面積相等，另由于R2>R1，開關(guān)擲向2瞬間放電電流較小[例2]在測定電容器電容值的實驗中，將電容器、電壓傳感器、阻值為3kΩ的電阻R、電源、單刀雙擲開關(guān)按圖甲所示電路圖進行連接。先使開關(guān)S與1端相連，電源向電容器充電，充電完畢后把開關(guān)S擲向2端，電容器放電，直至放電完畢。實驗得到的與電壓傳感器相連接的計算機所記錄的電壓隨時間變化的u-t曲線，如圖乙所示，圖丙為由計算機對圖乙進行數(shù)據(jù)處理后記錄的“峰值”及曲線與時間軸所圍“面積”。(1)根據(jù)圖甲所示的電路，觀察圖乙可知：充電電流與放電電流方向_____(選填“相同”或“相反”)，大小都隨時間______(選填“增大”或“減小